Введение к работе
Актуальность темы. Исследование устойчивости и управления динамикой систем с ветродвигателем сводится к проблеме моделирования динамики, определения условий устойчивости функционирования и решению задач управления системой при постоянно действующих возмущениях. Ветродвигатели, в отличие от других видов двигателей, работают всегда при переменных внешних условиях, зависящих не только от нагрузки, но и от интенсивности ветрового потока. При недостаточной скорости ветра ветродвигатель не может обеспечить нормальное функционирование системы. Поэтому обычно используется комбинированное энергопитание от ветрового и неветрового двигателей.
Таким образом, при использовании механических систем с ветродвигателем возникают проблемы:
моделирования динамики систем с ветродвигателем;
управления ветродвигателем для обеспечения нормального функционирования системы;
обеспечения устойчивости динамики системы;
учёта упругости вала, передающего крутящий момент от ветродвигателя насосу, если вал имеет значительную длину;
разработки автоматической системы управления для осуществления совместной работы ветрового и неветрового двигателей при комбинированном энергопитании.
Использование систем с ветродвигателем, позволяющих снизить затраты на электрическую или тепловую энергию и уменьшить количество экологически вредных отходов горения органического топлива, является перспективным направлением. Более 20 % всей вырабатываемой в мире электроэнергии затрачивается на приводы различных насосов. В данной работе исследуются задачи устойчивости и управления системой, в которой для вращения насоса дополнительно применяется ветродвигатель. Для обеспечения функционирования гидравлической системы необходимо управление расходом жидкости, подаваемой потребителю. В гидроприводах путём изменения расхода жидкости осуществляется управление скоростью движения выходного звена гидродвигателя: скоростью движения поршня гидроцилиндра или частотой вращения вала гидромотора. Наиболее экономичным является управление расходом жидкости за счёт изменения частоты вращения двигателя насоса.
Разработкой систем автоматического управления ветродвигателями, вопросами математического моделирования и исследования устойчивости их динамики занимались Н.Е. Жуковский, Г.Х. Сабинин, Я.И. Шефтер, В.Н. Андрианов, Де Рензо, E. Golding, К.П. Вашкевич, В.Н. Колодин, Н.В. Красовский, В.А. Орлов, Ф.Д. Байрамов и другие.
В исследованиях по динамике и управлению ветродвигателями нагрузка, подключённая к нему, учитывалась в упрощённом виде как простое сопротивление, изменяющееся по времени или зависящее только от угловой скорости вращения вала двигателя, т.е. по сущности исследовалась устойчивость собственно ветродвигателя с его регулятором без учёта динамики нагрузки. Задачи управления, моделирования и обеспечения устойчивости функционирования ветродвигателя с учётом динамики всех звеньев системы остаются мало изученными. Решению этих актуальных задач и посвящена данная диссертационная работа.
Объектом исследования является механическая система, состоящая из роторного ветродвигателя с вертикальной осью вращения, насоса, трубопровода и устройства, потребляющего подаваемую жидкость.
Предметом исследования является разработка методов управления ветродвигателем и исследования устойчивости динамики гидросистемы с ветронасосным агрегатом.
Цель исследований:
разработка автоматических систем управления роторным ветродвигателем для обеспечения заданного расхода жидкости и методов исследования устойчивости динамики гидросистемы с ветронасосным агрегатом;
разработка автоматических систем управления расходом при комбинированном энергопитании.
В работе поставлены и решены следующие задачи исследования:
разработка методов построения уравнений и исследования устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от ветродвигателя, в том числе, с учётом упругости передаточного вала между двигателем и насосом;
разработка принципиальных схем гидросистем и гидроприводов с автоматическим регулированием расхода жидкости за счёт изменения частоты вращения вала двигателя насоса;
разработка автоматических систем управления расходом жидкости в гидросистемах и гидроприводах при комбинированном энергопитании;
разработка модернизированной системы подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) машиностроительного предприятия с регулятором расхода жидкости;
составление уравнений и исследование устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя или ДВС.
Методы исследований. Включают в себя методы классической механики, подходы и методы математического моделирования динамических систем, теории автоматического управления и устойчивости движения.
Достоверность полученных результатов. Моделирование основано на фундаментальных законах и общепринятых положениях механики, гидравлики, теории автоматического управления. Достоверность результатов подтверждается корректным применением математического аппарата, экспериментальными данными и численным моделированием динамики гидросистемы.
Личный вклад автора состоит в формулировке задач; моделировании и исследовании динамики, разработке принципиальных схем гидросистем и гидроприводов с автоматическим управлением расходом жидкости; разработке гидросистем с комбинированным энергопитанием; участии в изготовлении и экспериментальном исследовании опытных образцов роторных ветродвигателей.
Научная новизна:
разработаны методы построения уравнений и исследования устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с ветродвигателем, в том числе, с учётом упругости передаточного вала между двигателем и насосом. В отличие от других работ здесь учитывается динамика насоса, жидкости в трубопроводе, регулятора расхода и гидродвигателя;
разработан метод автоматического регулирования расхода жидкости в гидросистемах и гидроприводах путём управления ветродвигателем насоса, отличающийся тем, что изменение частоты вращения вала двигателя происходит по принципу обратной связи с применением регулятора расхода жидкости;
предложен метод автоматического поддержания расхода жидкости в гидросистемах и гидроприводах с комбинированным энергопитанием при совместной работе ветродвигателя с электродвигателем или ДВС;
построены уравнения и определены условия устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя или ДВС.
Практическая ценность работы:
разработаны системы автоматического регулирования расхода жидкости, которые позволяют управлять расходом подаваемой жидкости в гидросистемах или скоростью движения выходного звена гидроприводов;
внедрение гидросистем и гидроприводов с ветронасосным агрегатом позволяет снизить энергетические затраты и способствует сохранению экологической чистоты окружающей среды;
разработаны автоматические системы поддержания расхода жидкости при комбинированном энергопитании, позволяющие существенно снизить затраты на электроэнергию или на топливо для ДВС;
проведена модернизация системы подачи СОТС, используемой на машиностроительных предприятиях, путём включения в её состав регулятора расхода жидкости;
результаты диссертации могут быть использованы при исследовании устойчивости динамики различных механических систем с ветродвигателем, в том числе, систем, содержащих звенья с распределёнными параметрами.
Реализация результатов. Результаты исследований переданы в ОАО «КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств. Они также используются в учебном процессе Набережночелнинского института (филиала) Казанского (Приволжского) федерального университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на международной научно-технической и образовательной конференции (Наб. Челны, 2010), межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Камские чтения» (Наб. Челны, 2009, 2011), XV международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2011), X международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2012), а также на научных семинарах кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» (2009-2012) Набережночелнинского института (филиала) Казанского (Приволжского) федерального университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, 4 из которых – в журналах, рекомендованных ВАК, 4 – обсуждались на международных конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, 41 рисунка. Полный объём диссертации составляет 115 страниц машинописного текста.
