Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.20.02 - «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степеникандидата технических наук

Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах апк использованием переносного импульсного электромагнитного привода

КАРГИН В.А.

Саратов 2007

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Усанов Константин Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ерошенко Геннадий Петрович;

доктор технических наук, профессор

Митяшин Никита Петрович.

Ведущая организация: ФГУП ордена «Знак Почета» научно-исследовательский проектный институт НИПИГИПРОПРОМСЕЛЬСТРОЙ

Защита состоится 25 октября 2007 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Театральная пл., 1, уч.комплекс №2, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.П. Волосевич

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Среди многочисленных технологических процессов, выполняемых при строительстве объектов в АПК, или производстве изыскательских работ операции, связанные с погружением и извлечением стержней, свай и т. п. являются наиболее распространенными и энергоемкими. Их комплексная механизация имеет важное значение, обусловленное существенными объемами выполняемых работ.

При реализации процессов погружения стержневых элементов наиболее распространенным и эффективным является ударный способ, который обеспечивается разнообразными по конструкции и параметрам пневматическими, гидравлическими, электрическими и др. машинами ударного действия. Сравнение опубликованных данных показывает, что традиционные машины приспособлены, как правило, для торцевой забивки относительно коротких стержней или небольших свай.

Вместе с тем известно, что значительную долю забиваемых в грунт стержневых элементов составляют сравнительно длинные, небольшого (9…20 мм) диаметра стержни, которые используются при устройстве ограждений для культурных пастбищ, в качестве электродов в защитных заземлениях или катодной защите, при производстве строительных работ для закрепления откосов и т.д. Забивка таких длинных, продольно-неустойчивых стержней, соотношение длины и диаметра l/d которых составляет 100 и более, торцевым способом либо неэффективна, либо вовсе невозможна. Кроме того, их погружение осуществляется зачастую в стесненных условиях строительной площадки, на откосах, в тоннелях, вблизи или внутри строящихся зданий и сооружений, когда известные навесные машины ударного действия малоэффективны или вовсе не применимы, а используемые переносное оборудование и приспособления зачастую не отвечают современным требованиям. Поэтому создание компактных переносных машин ударного действия, обеспечивающих неторцевую забивку продольно-неустойчивых элементов и не требующих для транспортировки и применения механизированных средств, а доставляемых на объект, например, переноской вручную, представляется важным.

Перспективным направлением в разработке машин ударного действия, соответствующих перечисленным особенностям, является использование импульсного электромагнитного привода, отличающегося относительно малым энергопотреблением, сравнительно высокими удельными выходными показателями и КПД, и обеспечивающего непосредственное преобразование электрической энергии в механическую работу ударной массы с линейной траекторией движения.

Цель работы. Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного привода (ПЭМП).

Объект исследования - ударный переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

Предмет исследования - рабочие процессы ударной машины с линейным электромагнитным двигателем (ЛЭМД).

Методика исследования. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования, основанные на теории электрических машин, теоретических основах электротехники и автоматизированного электропривода. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники, в том числе аналого-цифровой преобразователь ПЭВМ.

Научная новизна работы:

ѕ создана электромагнитная ударная машина (УМ) с осевым каналом и зажимным приспособлением для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт;

ѕ разработаны импульсные электрические преобразователи для питания и управления ЛЭМД, обеспечивающие требуемые режимы работы УМ;

ѕ теоретически и экспериментально, с привлечением метода математического моделирования и теории планирования многофакторного эксперимента, найдены качественные и количественные зависимости механической энергии, частоты ударов и КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния;

ѕ получена аналитическая зависимость времени погружения стержневого элемента от ударной мощности и характеристик грунта;

ѕ исследованы энергопреобразовательные процессы ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом; выявлены условия повышения выходных показателей ЛЭМД ударной машины, питаемого от емкостного накопителя энергии.

Практическая ценность работы. Создан переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт, содержащий ударную машину, электрический преобразователь и автономный источник питания.

Реализация научно-технических результатов. Технические возможности и эффективность ударного переносного электромагнитного привода с линейным электромагнитным двигателем для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт подтверждены производственными испытаниями в ООО «ЭнергоСпецМонтаж», г. Саратов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Десятой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2 - 3 мая 2004); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 21 - 24 сентября 2004г.); на 3 Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 20 - 22 апреля 2005г.); на конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова «Механизация и электрификация сельского хозяйства» (Саратов, 23 - 25 ноября 2006); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2003 - 2007годах.

Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, общим объемом 2,7 печатных листа, из них один патент РФ и две работы опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне…» ВАК объемом 0,8 печатных листа. 1,5 печатных листа принадлежат лично соискателю.

На защиту выносятся

ѕ обоснование параметров и конструкция ударной машины с ЛЭМД для погружения длинных продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт;

ѕ принципиальные схемы электрических преобразователей для ударной машины с ЛЭМД;

ѕ аналитические зависимости механической энергии, частоты ударов, КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния;

ѕ номограмма для оценки времени погружения металлического стержневого элемента в грунт в зависимости от геометрических параметров стержня, ударной мощности воздействия и плотности грунта;

ѕ результаты экспериментальных исследований энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом при различных способах электропитания.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 59 рисунков, 3 приложения. Список литературы включает 129 наименований.

2. Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность решаемой проблемы, дана краткая характеристика работы, приводятся данные о реализации и апробации результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Способы и технические средства для погружения стержневых элементов в грунт. Цель и задачи исследований» рассмотрены способы заглубления металлических стержневых элементов в грунт, проведен анализ, сопоставлены свойства и особенности применения навесных, ручных и переносных устройств и приспособлений для погружения стержней в грунт.

Рисунок 1. Структурная схема переносного импульсного привода.

Перспективным направлением в разработке машин ударного действия для погружения стержневых элементов в грунт является использование импульсного силового электрического привода, имеющего в основе двигатель с линейной траекторией движения рабочего органа. Значительный вклад в разработку теории и вопросов практического воплощения электроприводов с импульсными линейными электрическими двигателями принадлежит Алабужеву П.М., Алимову О.Д., Манжосову В.К., Ряшенцеву Н.П., Тимошенко Е.М., Ивашину В.В., Угарову Г.Г., Мошкину В.И., Львицыну А.В. и другим ученым. енцеву Н.ектрическими двигателями принадлежит Алабужеву П.импульсными омагнитного привода; расчетное значение чистого дисконт Основными элементами структурной схемы такого привода являются: ударная машина с линейным электрическим двигателем и устройством согласования и передачи механической энергии; импульсный электрический преобразователь; автономный источник электрической энергии (рис.1). Объединение в одном блоке машины-двигателя и машины-орудия ведет к упрощению и удешевлению всего устройства, улучшает массогабаритные показатели, повышает его энергетические характеристики, надежность, снижает затраты на обслуживание. При этом применение привода с импульсным линейным электрическим двигателем (ЛЭД) для погружения стержневых элементов в грунт позволяет осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в кинетическую энергию прямолинейного движения якоря.

Анализ известных конструкций машин, использующих линейные электродвигатели разных типов показывает, что в приводе переносных машин для погружения стержневых элементов целесообразно применять линейные электромагнитные двигатели - ЛЭМД. Отсутствие прецизионных узлов обеспечивает этим машинам конструктивную простоту и надежность, а возвратно-поступательное движение рабочего органа способствует передаче энергии удара непосредственно забиваемому стержню. Применение ЛЭМД в переносных ударных машинах позволяет исключить преобразователи движения и редукторы и потому представляется перспективным.

Задачи исследования:

ѕ провести анализ способов и устройств для погружения стержневых элементов в грунт;

ѕ обосновать тип магнитной системы импульсного линейного электромагнитного двигателя ударной машины УМ, провести расчет его основных геометрических параметров и статических характеристик по заданным выходным показателям УМ; разработать устройство согласования и передачи механической энергии забиваемому стрежню и конструкцию ударной машины с ЛЭМД для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт;

ѕ разработать импульсные электрические преобразователи, реализующие эффективные рабочие циклы и обеспечивающие требуемые режимы работы ударной машины;

ѕ исследовать взаимное влияние наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя - на выходные показатели ударной машины с ЛЭМД - механическую энергию и частоту ударов, КПД с привлечением метода математического моделирования и теории планирования многофакторного эксперимента; провести анализ коэффициентов влияния факторов на параметр оптимизации;

ѕ получить аналитическую зависимость времени погружения стержневого элемента от ударной мощности и плотности грунта, разработать методику для определения времени погружения металлического стержня в грунт от его геометрических параметров, ударной мощности воздействия и плотности грунта;

ѕ исследовать процессы энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины для погружения стержневых элементов в грунт при различных способах электропитания;

ѕ провести технико-экономическую оценку результатов исследований.

Во второй главе «Электромагнитная переносная машина ударного действия для погружения стержневых элементов в грунт» решены следующие основные задачи: 1) выбран тип магнитной системы двигателя, позволяющий улучшить удельные показатели в ударном режиме; 2) рассчитаны основные геометрические размеры ЛЭМД по заданной энергии удара; 3) рассчитаны статические характеристики ЛЭМД; 4) предложена конструкция ЛЭМД с осевым каналом и увеличенной длинной якоря; 5) предложена конструкция устройства согласования и передачи ударных воздействий двигателя забиваемому стержню через его боковую поверхность; 6) разработана конструкция электромагнитной ударной машины со сквозным осевым каналом для погружения длинных продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

Выработка основных рекомендаций при решении поставленных задач начата с выбора типа магнитной системы, оказывающей решающее влияние на ее энергетические показатели. Сопоставление энергетических характеристик показывает, что для машин ударного действия целесообразно использовать ЛЭМД с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами. электромагнитный стержневой импульсный преобразователь

Наиболее полная реализация потенциальных возможностей магнитных систем ЛЭМД достигается при правильном выборе их основных конструктивных параметров по заданной выходной энергии Ау. В работе приведена методика расчета основных геометрических соотношений ЛЭМД с механической энергией Ау=35 Дж.

В ЛЭМД ударных машин необходимо обеспечить не только кинетическую энергию в момент удара, но и повысить быстродействие двигателя. Это позволяет увеличить частоту ходов якоря n и, следовательно, ударную мощность машины Pу=Ауn. Значение n зависит от нескольких факторов: массы якоря m, силовой характеристики возвратной пружины, формы тяговой характеристики Fэ() ЛЭМД.

Показанная на рис.2 характерная кривая 1 тягового усилия Fэ=f() для ЛЭМД ударной машины не является рациональной. С целью повышения ударной мощности Ру следует изменить характеристику Fэ=f() так, чтобы снизить Fэк, что будет способствовать уменьшению времени возврата tвозв якоря и повышению ударной мощности Ру=Ау/(tсраб+tвозв).

Для получения требуемой формы тяговой характеристики необходимо увеличить длину якоря на lя (рис 3), что приведет к снижению тягового усилия Fэк в области малых зазоров .

Рисунок 2. Статические тяговые характеристики ЛЭМД: 1 - l_я=0; 2 - l_я=0,2;

3 - l_я=0,3; 4 - F_пруж=f()

Для количественной оценки влияния lя на показатели ЛЭМД - начальное Fэн, максимальное Fэм усилие - проведены исследования статических тяговых характеристик магнитных систем ЛЭМД с lя=0; lя=0,2; lя=0,3 в программном комплексе Elcut 5.1.

На рисунке 2 приведены статические тяговые характеристики исследованных магнитных систем двигателей. При сравнении за базисный принят ЛЭМД с lя =0 (рис.2, кривая 1), у которого максимальное усилие достигается при =0, что в динамике приводит к временному «залипанию» бойка и уменьшению частоты ходов УМ.



Рисунок 3. Магнитная система ЛЭМД с увеличенной длинной якоря: 1 - якорь; 2 - наковальня; 3 - стержень; 4 - статор.

Рисунок 4. Электромагнитная машина ударного действия для погружения стержневых элементов в грунт

1 - верхняя крышка; 2, 3 - комбинированный якорь; 4 - корпус-статор; 5 - рукоятка; 6 - обмотка; 7 - возвратная пружина; 8 - направляющая; 9 - наковальня; 10 - нижняя крышка; 11 - корпус зажимного приспособления; 12 - заклинивающие элементы; 13 - погружаемый стержень.

В случае чрезмерно большой величины lя0,3 наблюдается существенное снижение максимального усилия Fэм при малых зазорах(рис.2, кривая 3).

ЛЭМД с величиной lя=0,2 развивает большее максимальное усилие (рис.2, кривая 2), которое в момент удара уменьшается на 20 - 30% по сравнению с базисным, предотвращая «залипание» якоря.

Важным этапом разработки и создания машин ударного действия с линейными электромагнитными двигателями представляется обоснование устройства передачи механической энергии двигателя забиваемому стержневому элементу. Эффективная забивки продольно-неустойчивого стержня возможна лишь при передаче ему ударных импульсов через его боковую поверхность в таких поперечных сечениях, где устойчивость стержня еще сохраняется. Для электромагнитной ударной машины предложена конструкция и обоснованы параметры переставляемого зажимного механизма, обеспечивающего этот способ забивки.

С учетом результатов исследований создана конструкция ударной машины с ЛЭМД для погружения длинных, продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт, показанная на рис.4.

В третьей главе «Источники питания и импульсные электрические преобразователи переносной электромагнитной ударной машины» проведен краткий сопоставительный анализ источников электропитания ударной машины с ЛЭМД; разработаны электрические преобразователи, используемые с аккумуляторными источниками питания; предложены устройства с промежуточными емкостными накопителями энергии.

Электромагнитная ударная машина для погружения стержневых элементов в грунт, содержащая в основе линейный электромагнитный двигатель, осуществляет дискретное потребление и преобразование электрической энергии непосредственно в механическую работу. Импульсное дозирование потока передаваемой источником в УМ энергии обеспечивается импульсным электрическим преобразователем (ЭП). Рассмотрены ЭП, подключаемые к одно- и трехфазным сетям переменного тока, аккумуляторному источнику питания (АИП) и АИП с конденсаторным накопителем энергии.

Характеристики импульсной нагрузки и системы электропитания, как правило, не согласованны. Большинство систем электропитания рассчитано не на импульсный, а на непрерывный и относительно равномерный отбор мощности. Поэтому возникает необходимость включения между источником питания и ЛЭМД ударной машины импульсного электрического преобразователя с емкостным накопителем энергии (ЕНЭ), задачей которого, в том числе, является согласование характеристик системы электроснабжения и обмотки ЛЭМД ударной машины.

Так, для аккумуляторного источника питания, применение импульсного преобразователя с ЕНЭ существенно облегчает электрический режим, обеспечивая энергоотдачу аккумуляторов при заряде ЕНЭ, близкую к стационарной.

Рисунок 5. Электрическая схема импульсного преобразователя с ЕНЭ для питания УМ.

На рис.5 представлена электрическая схема ИЭП с емкостным накопителем энергии для питания электромагнитной ударной машины.

Применение конвертора позволяет заряжать ЕНЭ напряжением Uс, превышающим напряжение источника питания Uвх и улучшает массогабаритные показатели устройства.

В четвертой главе «Исследование особенностей электромеханического преобразования энергии в переносном электромагнитном приводе» разработаны методика и лабораторный стенд для экспериментального исследования рабочих процессов, включающий ударную машину УМ с электромагнитным двигателем, импульсные электрические преобразователи: ЭП1, подключаемый к аккумуляторному источнику питания АИП1 и ЭП2 с емкостным накопителем энергии; аккумуляторный источник питания АИП2. Измерение и регистрация значений интересующих физических величин производятся комплектом контрольно-измерительной аппаратуры КИА (рис.6).

Для детального выявления особенностей электрического взаимодействия импульсной нагрузки (ЛЭМД) с преобразователями ЭП1 и ЭП2 проводилась одновременная регистрация динамических характеристик исследуемого ЛЭМД: мгновенных значений напряжения u(t) и тока i(t), протекающего по его обмотке, а так же перемещения якоря д(t) в функции времени. Одновременная запись указанных величин производилась на персональный компьютер, связанный с исследуемой системой и потенциометрическим датчиком перемещения через многофункциональную плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Рисунок 6. Структурная схема стенда для исследования рабочего процесса ЛЭМД ударной машины: 1 - забиваемый стержень; 2 - втулка; 3 - потенциометрический датчик перемещения.

Проведен анализ динамических характеристик электромагнитной ударной машины для погружения стержневых элементов в грунт с применением метода планирования многофакторного эксперимента. Рассмотрено влияние параметров емкостного накопителя - емкости C и напряжения заряда U - и жесткости z возвратного элемента УМ на механическую энергию Ау, частоту ударов n и КПД з электромагнитной ударной машины; получены соответствующие регрессионные полиномы, определяющие данные зависимости:

Ау=4,4-722,3C-0,01U+15,5CU-0,089z;

n=466,7C-0,13U+0,447z+1,04Cz+19444C2-2879,5;

з=3,75+109,9C+0,028z+0,22U+0,19Cz-1944,4C2

В качестве параметра оптимизации выбрана механическая энергия Ау. Наибольшее влияние на величину Ау (4) оказывают параметры емкостного накопителя C и U. Для варьируемых значений емкости промежуточного накопителя С и напряжения его заряда U от «-1» до «+1» при неизменной жесткости возвратного элемента z, построена поверхность отклика Ау=f(С,U), при z=соnst (рис.7).

Из диаграммы следует, что значение энергии удара Ау возрастает пропорционально емкости С промежуточного накопителя и квадрату напряжения U его заряда и достигает максимума, когда С и U находятся на уровне «+1» (С=0,13 Ф, U=120 В).

Вторым по значимости коэффициентом влияния в уравнении регрессии (4), является жесткость возвратной пружины z. На рис.8 представлена поверхность отклика в факторном пространстве Ау=f(U, z), при значении емкости С на уровне «+1».

Наибольшее значение энергии удара Ау для рассмотренных поверхностей соответствует z=800 Н/м, при значениях остальных факторов на уровне «+1». Изменение жесткости возвратного элемента, по сравнению с найденным, снижает механическую энергию Ау.

В настоящей работе проведены исследования коэффициентов влияния параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента z на частоту ударов n и КПД электромагнитной машины, построены соответствующие поверхности отклика и диаграммы.

Важным показателем эффективности создаваемой электромагнитной ударной машины для погружения металлических стержневых элементов в грунт является время заглубления tз стержня, на которое значительное влияние оказывает диаметр d, длина l и угол заточки его погружаемого торца б, ударная мощность воздействия на стержень Руд, плотность с и средняя влажность грунта Wср.

Получена аналитическая зависимость tз=f(Руд; с) времени погружения стержневого элемента tз от ударной мощности Руд и плотности грунта с (с постоянной средней влажностью Wср=70%) для стержня с заданными геометрическими параметрами (l=2 м, d=12·10-3 м, б=45о):

tз=28,1-0,5Руд+0,072с-0,002Руд2.

Рисунок 7. Динамические характеристики ЛЭМД для несогласованного разряда емкостного накопителя.

На основании экспериментальных данных и теоретических исследований разработана номограмма (рис.9), на которой обозначены следующие зависимости: 1) зависимость ударной мощности Руд от длины забиваемого стержня l и его диаметра d: Руд=f(l;d); 2) зависимость потребляемой электрической энергии Wэл (при питании от емкостного накопителя энергии или аккумулятора) от ударной мощности Руд: Wэл= f(Руд); 3) зависимость времени погружения стержня tз от ударной мощности Руд: tз=f(Руд).

Рисунок 8. Динамические характеристики ЛЭМД для согласованного разряда емкостного накопителя.

Рассмотрены особенности энергопреобразования в ЛЭМД УМ при единичном срабатывании для согласованного и несогласованного разряда накопителя на обмотку двигателя, выявленные экспериментально (рис.10, 11). Режим полагается согласованным, если значение энергии Wист и параметры Cн, Uн подобраны так, что на интервале единичного срабатывания к моменту остановки якоря накопитель полностью разряжается и обеспечиваются максимальные выходные показатели ЛЭМД.

Наглядное представление о влиянии параметров и условий разряда накопителя на обмотку дают энергетические диаграммы, построенные в осях - i «потокосцепление-ток».



Рисунок 9. Энергетические диаграммы ЛЭМД при кон- денсаторном питании

Площади, ограниченные замкнутыми кривыми Шд(i), полученными обработкой динамических характеристик ЛЭМД, пропорциональны энергии, израсходованной двигателем на полезную работу и все потери, кроме тепловых в обмотке. Площади, ограниченные диаграммами Шc(i), найденными совместной обработкой динамических характеристик и статических кривых намагничивания электромагнита , пропорциональны полезной работе преобразователя в отсутствие потерь. Совмещенные диаграммы Шд(i) и Шc(i) удобны при оценке влияния потерь на рабочий процесс ЛЭМД, а площадь между кривыми Шд(i) и Шc(i) позволяет судить об эффективности энергопреобразования в двигателе при варьировании значений емкости C и напряжения U накопителя.

Сравнение характеристик показывает, что процесс взаимных превращений при передаче одной и той же энергии из ЕНЭ в ЛЭМД существенно зависит от соотношения его параметров. В частности, увеличенная емкость и уменьшенное напряжение обеспечивают плавность разрядного процесса снижение потерь в двигателе и повышение его механической энергии.

Разряд накопителя с малой емкостью и повышенным напряжением создает значительные скорости di/dt и dш/dt на этапе трогания якоря. Чем быстрее возрастают ток и магнитный поток, тем больше наведенные вихревые токи, меньше суммарное потокосцепление и тем ниже, относительно статической кривой Шc(i), располагается динамическая кривая намагничивания Шд(i) (рис.12). В частности, установлено, что накопитель с емкостью C=0,1Cн (Cн=0,06 Ф) обеспечивает более высокое быстродействие и полноту использования накопленной ЛЭМД магнитной энергии, что практически исключает время «залипания» якоря, позволяет повысить частоту ударов n и, следовательно, ударную мощность Ру=Aу·n; однако несогласованный разряд обеспечивает в 1,38 раза меньшую механическую энергию на выходе машины, в 1,3 раза большие потери в стали.

Таким образом, выбор параметров накопителя, при которых обеспечивается согласование разрядных процессов ЕНЭ с динамическими в двигателе УМ, позволяет повысить энергию ударов Aу на 28 % и снизить потери в стали Wст на 23 % (табл.1).

Таблица 1 Показатели ЛЭМД при конденсаторном питании

Цикл	Механическая энергия, Aу	Остаточная магнитная энергия Wмо	Потери в стали Wст	Магнитный КПД, зм	Частота ударов, n	Ударная мощность Ру
	Дж	Дж	Дж	о.е.	Гц	Вт
C=0,1Cн	16	4,0	30	0,8	6	96
C=Cн	22	21	23	0,52	4	88

Технические возможности и эффективность импульсного электромагнитного привода для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт подтверждены производственными испытаниями. Расчетный чистый дисконтированный доход от внедрения переносного ударного электромагнитного привода составил 258,6 тысяч рублей.

Общие выводы

1. Сравнительным анализом способов и показателей технических средств для погружения продольно-неустойчивых стержней выявлены достоинства и обосновано применение автономного импульсного электромагнитного привода с использованием цилиндрического ЛЭМД с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами. Установлено, что среднее потребление электрической энергии и продолжительность погружения одного стержня импульсным электромагнитным приводом, соответственно, в 1,7 - 1,8 и в 2 - 3 раза меньше в сравнении с существующими электрическими машинами ударного и вращательного действия.

2. Обоснована необходимость применения в приводе переносных электромагнитных ударных машин броневых ЛЭМД цилиндрической структуры с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами с увеличенным, вдвое против обычного, ходом д якоря, тяговую характеристику которого целесообразно формировать удлинением якоря на величину lя. Для выбранного типа ЛЭМД lя=0,2д увеличивает значения начальной тяговой силы и интегральной работы в 1,25 и 1,2 раза соответственно по сравнению с базисным двигателем при lя=0.

3. Разработана, на уровне изобретения, электромагнитная ударная машина со сквозным осевым каналом и зажимным приспособлением передачи ударных импульсов стержню через его боковую поверхность, предназначенная для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

4. Предложен электрический преобразователь с разделенным на секции емкостным накопителем, обеспечивающий дополнительные возможности при регулировании механической энергии машины за счет оперативного изменения емкости конденсаторной батареи и уровня ее заряда.

5. Исследовано влияние жесткости возвратного элемента и параметров емкостного накопителя на энергетические показатели электромагнитной ударной машины с выходной механической энергией Ау до 50 Дж и получен экстремум для показателя Ау, определяемый значениями С=0,04…0,06 Ф, U=60…80 В, z=700…900 Н/м.

6. Получена аналитическая зависимость времени забивки tз стержневого элемента от характеристик грунта и ударной мощности Ру=Ауn машины; предложена номограмма для определения значения tз с учетом геометрии стержня и значения Ру для заданной плотности грунта.

7. Исследованы энергопреобразовательные процессы в ЛЭМД ударной машины с конденсаторным источником; установлена предпочтительность применения емкостного накопителя с C0,5 Ф в системе электропитания импульсной машины с Ау до 50 Дж, заключающаяся в снижении постоянных потерь при уменьшении значения di/dt в обмотке до di/dt10 А/мс и увеличении КПД в 1,12 раз.

8. Проведена оценка экономической эффективности внедрения переносного электромагнитного привода; расчетное значение чистого дисконтированного дохода - 258,6 т.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Каргин В.А. Силовая электромагнитная импульсная система для погружения стержневых элементов в грунт / Усанов К.М., Каргин В.А. // Вестник СГАУ, №3, 2005 с. 59 - 61. (0,4/0,25).

2. Каргин В.А. Преобразователь сигналов датчика предударной скорости бойка импульсной ударной машины / Усанов К.М., Каргин В.А. // Вестник СГАУ, №2, 2007. с. 53 - 55 (0,4/0,25).

3. Каргин В.А. Электрический преобразователь с емкостным накопителем энергии для питания электромагнитной ударной машины / Усанов К.М., Каргин В.А. // Механизация и электрификация сельского хозяйства: Материалы конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова, Саратов: СГАУ, 2006. - 81-85 с. (0,6/0,4).

4. Каргин В.А. Расчет статических тяговых характеристик электромагнитной машины ударного действия с использованием ЭВМ / Усанов К.М., Каргин В.А. // Инновационные технологии в обучении и производстве: Материалы III Всероссийской конференции. т. 1 Камышин, 2005. - с. 181 (0,1/0,05).

5. Каргин В.А. Энергетические показатели линейного электромагнитного двигателя в режиме энергопреобразования при постоянном потокосцеплении / Угаров Г.Г., Усанов К.М., Волгин А.В., Каргин В.А. // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Труды Всероссийской научно-технической конференции. Тольятти: ТГУ, 2004. - с. 27 - 30. (0,25/0,1).

6. Каргин В.А. Особенности энергопреобразования электромагнитной ударной машины с конденсаторным питанием / Усанов К.М., Каргин В.А., Волгин А.В. // Инновационные технологии в обучении и производстве: Материалы 3 Всероссийской конференции, г.Камышин, 20 - 22 апреля 2005.: В 3-х т. - Волгоград, 2005. Том 1. - 174 - 178 с. (0,3/0,2).

7. Патент на полезную модель №40331. Устройство ударного действия для забивания в грунт стержневых элементов / Угаров Г.Г., Усанов К.М., Волгин А.В., Каргин В.А. // Бюл.2004 №25 - 3 с.

8. Патент на полезную модель RU59342U1, МПК Н02К 33/02 Опубл. 10.12.2006 Линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря / Усанов К.М., Мошкин В.И., Каргин В.А., Волгин А.В. // Бюл.2004 №34 - 2 с.

Размещено на Allbest.ru