Исследование самоуравновешенной картофелесортировальной установки с линейным асинхронным электроприводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование самоуравновешенной картофелесортировальной установки с линейным асинхронным электроприводом

Линенко Андрей Владимирович

В данной статье рассматривается самоуравновешенная картофелесортировальная установка, отличающаяся от существующих конструкций инерционных самоуравновешенных сортировальных установок с колебательным электроприводом тем, что в приводе применяется линейный асинхронный двигатель. В качестве уравновешивающего устройства применен метод дублирующего механизма. Дублирующий механизм является зеркальным отражением основного рабочего органа, и также участвует в технологическом процессе. Его применение в приводе установки позволяет не только повысить эффективность очистки, сушки и сортировки картофеля, но и повысить надежность сортировальной установки, что соответствует новейшим тенденциям развития техники. Приводится математическая модель предложенного электропривода картофелесортировальной установки, которая реализована в среде объектно-визуального моделирования Matlab |Simulink|. Математическая модель позволяет в динамике исследовать влияние параметров линейного асинхронного электропривода на параметры колебательного процесса рабочего органа. Разработанная методика исследования и созданная экспериментальная картофелесортировальная установка с линейным асинхронным электроприводом подтвердили теоретические исследования. Определены основные кинематические размеры установки и технические параметры отдельных узлов. Показано, что КПД инерционного транспортирования можно повысить на 20% по сравнению с классическим приводом от двигателя вращения. Результаты исследования позволят реализовывать энергетически и технологически эффективные самоуравновешенные картофелесортировальные установки с линейным асинхронным электроприводом

Ключевые слова: ЭЛЕКТРОПРИВОД, ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, КОЛЕБАНИЯ, СЛОЖНОЕ ДВИЖЕНИЕ, МЕТОДИКА РАСЧЕТА

Существующее технологическое оборудование, обеспечивающее сортировку и очистку картофеля в соответствии с агротехнологическими требованиями, имеет сложную конструкцию, и, как следствие, это отражается на его надежности [1]. Повысить надежность и упростить конструкцию таких машин можно за счет применения линейных асинхронных электроприводов (ЛЭП) [2,3]. Посредством ЛЭП совместно с упругими элементами можно легко осуществить инерционное транспортирование картофеля по рабочему органу, выполненного из участков очистки и сортировки [4,5]. При этом возникает проблема уравновешивания возвратно-поступательно движущихся масс, что присуще всему технологическому оборудованию такого рода. Среди технических средств уравновешивания механизмов известен метод дублирующего механизма, заключающийся в добавлении уравновешивающего механизма, являющегося зеркальным отражением уравновешиваемого. Такие механизмы называются самоуравновешенными, в них может быть достигнута полная уравновешенность [6,7]. Такой подход уравновешивания механизмов применяется для механизмов с приводом от двигателя вращения, а в статье рассматривается самоуравновешенная система с приводом от линейного асинхронного электродвигателя, в которой рабочие органы совершают возвратно-поступательное движение.

Цель работы заключается в исследовании самоуравновешенной картофелесортировальной установки на базе линейного асинхронного электропривода с высокими технологическими и техническими характеристиками.

Задачи исследования:

- разработать математическую модель линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной картофелесортировальной установки (ЛАЭСКУ) и на ее базе произвести исследование влияния параметров привода на характеристику колебательного процесса рабочего органа и на эффективность работы установки;

- создать экспериментальную ЛАЭСКУ и провести ее физическое исследование.

Предлагаемая установка содержит (рисунок 1): основание 1, цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЛАД), состоящий из индуктора 2, установленного жестко на основании 1, и ротора 3, соединенного шарнирно через рычаги 4 с ветвями рабочего органа 5. Продольная ось ЛАД перпендикулярна продольной оси рабочего органа. Ветви рабочего органа установлены на роликах 6 на основании 1. С другой стороны ротор 3 взаимодействует с упругим элементом 7. Включение и отключение ЛАД осуществляется по датчикам 8 и 9 блоком управления 10.

а)

б)

Рисунок 1 Картофелесортировальная установка двухстороннего действия с линейным асинхронным электроприводом (обозначения в тексте)

Картофелесортировальная машина работает следующим образом. Блок управления 10 подключает индуктор 2 ЛАД к источнику питания, индуктор создает бегущее магнитное поле, ротор 3 приходит в поступательное движение, к примеру, вниз (рисунок 1, б). При этом рычаги 4 шарнирно связанные и с ротором, и с ветвями рабочего органа расходятся. Ветви рабочего органа совершают продольное движение в противоположных направлениях. При движении ротора 3 упругий элемент 7 деформируется (сжимается). По достижению выступом на роторе датчика 9 блок управления отключает ЛАД, его бегущее магнитное поле исчезает, картофель по инерции продолжает движение вперед. Под действием потенциальной энергии, накопленной в упругом элементе 7, ветви рабочего органа 5 движутся в обратном направлении, и по достижению ротором датчика положения 8 ЛАД снова подключается к сети. Далее описанный процесс повторяется. При этом рабочий орган 5 совершает колебательное движение, а картофель, подаваемый на рабочий орган, инерционно перемещается по нему. Рабочий орган представляет собой участки из прутков: I-й участок очистки от мелких примесей (поперечные прутки); II-й участок сортировки (мелкая фракция); III-й участок сортировки (средняя фракция); IV-й участок сортировки (крупная фракция). Сортировка корнеплодов по размеру обеспечивается за счет установки поперечных прутков на необходимом друг от друга расстоянии. Таким образом, картофель, инерционно перемещаясь по ветвям рабочего органа, сначала очищается от мелких примесей на I-м участке, где прутки расположены с небольшим расстоянием между собой перпендикулярно направлению движения картофеля. Далее картофель поступает на II-й участок сортировки мелкой фракции, где прутки расположены параллельно направлению движения картофеля с соответствующим расстоянием между собой. Аналогично устроен III-й участок сортировки средней фракции. Окончательным сходом с рабочего органа будет крупная фракция картофеля (участок IV).

Предложенная установка является самоуравновешенной за счет того, что рабочий орган представляет собой две одинаковые ветви, которые приводятся в действие одним линейным асинхронным электроприводом. Ветви рабочего органа совершают движение в противоположных направлениях. Это позволит свети к минимуму динамические нагрузки на раму и привод установки. Такой способ привода рабочего органа линейным асинхронным электродвигателем позволяет повысить энергетические характеристики установки в целом.

На рисунке 2 представлена кинематическая (расчетная) схема предложенной установки, по которой разработана ее математическая модель.

По рисунку 2 составлены уравнения сил действующих на вторичный элемент, лотки и транспортируемые грузы, по которым построена математическая модель их движения. Для описания математической модели приняты следующие системы координат: XOY - неподвижная относительно основания, X?₁O?₁Y?₁ и X?₂O?₂Y?₂ - неподвижные относительно лотков 4.

Рисунок 2 Кинематическая схема самоуравновешенной установки с ЛЭП: 1 - инерционный груз; 2 - шарниры; 3 - приводные рычаги; 4 - лотки; 5 - опорные ролики; 6, 7 - датчики положения; 8 - блок управления; 9 - упругий элемент с₁; 10 - основание; 11 - упругий элемент с₂; 12 - индуктор ЛАД; 13 - вторичный элемент ЛАД

Напряжение питания ЛАД осуществляется по релейному закону в функции координаты вторичного элемента (лотков), поэтому:

U при x_л < S_выкл и V_л ? 0

0 при x_л ? S_выкл и V_л > 0

0 при x_л > S_вкл и V_л < 0

U при x_л ? S_вкл и V_л < 0,

где U - амплитудное напряжение питания ЛАД переменного тока, В;

S_вкл - координата лотка по оси x, при котором осуществляется включение ЛАД, м; S_выкл - координата лотка по оси x, при котором осуществляется выключение ЛАД, м; x_л - перемещение лотка, м; V_л - скорость лотка м/с.

Запишем уравнения для одной ветви лотка, так как уравнения для обеих ветвей лотков аналогичны. Ускорения транспортирующего лотка и транспортируемого груза соответственно, м/с²:

,

где m_л , m_гр , m_в.эл. - масса транспортирующего лотка, транспортируемого груза и вторичного элемента, соответственно, кг; g - ускорение свободного падения, м/с²; б - угол между вторичным элементом ЛАД и приводным рычагом, °.

Сила трения транспортируемого груза об поверхность лотка, H:

Сила упругого элемента с₁ определяется по закону Гука, H:

где с₁ - коэффициент жесткости упругого элемента, работающего на растяжение, Н/м. Аналогично, в функции перемещения вторичного элемента ЛАД определяется сила упругого элемента с₂ F_{упр.в.эл.} с₂ - коэффициент жесткости упругого элемента, работающего на сжатие, Н/м.

Сила трения качения опорных роликов, Н:

- n_pдmg/R_p при V_л> 0,

F_рол = 0 при V_л= 0,

n_pдmg/R_p при V_л< 0

где n_p - число опорных роликов; д - коэффициент трения качения роликов (сталь по стали); R_p - радиус опорного ролика, м.

F¹_тр - сила сухого трения груза (силы вязкого и адгезионного трения не учитываются в связи с особенностями конвейера) определяется в соответствии с законом Кулона:

m_гgf_г при V¹_г > 0 и m_гa_ж > m_гgf_г0

m_гgf_г0 при V¹_г = 0 и m_гa_ж = m_гgf_г0

m_гa_ж при V¹_г = 0 и m_гa_ж < m_гgf_г0

F¹_тр = 0 при V¹_г = 0 и m_гa_ж = 0

m_гa_ж при V¹_г = 0 и m_гa_ж < m_гgf_г0

m_гgf_г0 при V¹_г = 0 и m_гa_ж = m_гgf_г0

m_гgf_г при V¹_г < 0 и m_гa_ж > m_гgf_г0

где f_г и f_г0 соответственно коэффициенты трения скольжения и покоя груза.

Сила ЛАД F_ЛАД связана с силой тяги F_Т следующим образом:

 ,

где F_ЛАД - сила, развиваемая линейным асинхронным двигателем, Н.

К.п.д. транспортирования:

,

где Р₁ - потребляемая мощность линейного асинхронного двигателя, кВт;

Р_тр - средняя механическая мощность, затрачиваемая на транспортирование груза:

где V_ср - средняя скорость транспортирования, м/с.

Математическая модель ЛАЭСКУ была реализована в среде объектно-визуального моделирования Matlab |Simulink|. Путем математического моделирования было исследовано влияние параметров линейного электропривода на эффективность работы установки.

Исследование производительности установки от жесткости упругого элемента с₂, обеспечивающего резкую остановку лотков, а соответственно и инерционное перемещение картофеля показало, что в диапазоне производительности до 30 т/ч жесткость упругого элемента с₂ необходимо выбирать не менее 10000 Н/м, дальнейшее увеличение жесткости не оказывает существенного влияния на производительность.

Угол б между вторичным элементом ЛАД и приводным рычагом необходимо выбирать исходя из максимальной производительности и минимальной силы сопротивления. Согласно полученным зависимостям (рисунок 3) угол б нужно выбирать 60°.

Рисунок 3 Зависимость силы сопротивления F_с на рабочем органе и производительности Q от первоначального угла б между вторичным элементом ЛАД и приводным рычагом

Установлено, что для электродвигателя с мощностью равной 1,5 кВт эффективным значением массы транспортирующих грузов является 20-30 кг, при котором изменение значения жесткости упругого элемента с₁ от 1000 Н/м до 3000 Н/м не оказывает существенного влияния на значение к.п.д. транспортирования груза з_тр, которое может достигать 25% (рисунок 4). Это объясняется тем, что происходит такое сжатие упругого элемента с₂, при котором приобретенная им в процессе сжатия сила равна, либо больше, чем приобретенная сила упругого элемента с₁ в процессе растяжения. При дальнейшем увеличении массы транспортируемых грузов происходит одновременное повышение силы от упругого элемента с₂ и силы инерции транспортируемых грузов в обратном направлении.

Рисунок 4 Зависимость к.п.д. транспортирования груза з_тр от массы транспортируемых грузов m при жесткости упругого элемента с₁ 1000 Н/м, 2000 Н/м и 3000 Н/м

картофелесортировальный самоуравновешенный электропривод

На кафедре электрических машин и электрооборудования Башкирского ГАУ была реализована описанная установка с линейным асинхронным электроприводом (рисунок 5). Для ее всестороннего исследования была разработана методика проведения экспериментальных исследований. Согласно методике в качестве электромеханических определяющих параметров электропривода приняты: ток, потребляемый индуктором ЛАД во время работы и амплитуда колебательного движения рабочего органа.

На установку были смонтированы следующие активные датчики: датчик линейных перемещений Gefran LTS09N09KB5C и датчик тока марки CSLA1CF.

Рисунок 5 Экспериментальная самоуравновешенная картофелесортировальная установка с линейным асинхронным электроприводом

Предложена и реализована в среде объектно-визуального моделирования Matlab |Simulink| математическая модель линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной картофелесортировальной установки. Математическая модель позволяет в динамике исследовать влияние параметров линейного асинхронного электропривода на параметры колебательного процесса рабочего органа. Определены критерии выбора упругих элементов и кинематических параметров установки.

Установлены оптимальные длины участков очистки и сепарации картофеля исходя из максимальной производительности и скорости транспортирования не более 2 м/с. При скорости транспортирования более 2 м/с возможно повреждение клубней картофеля. Длина участка очистки составила 0,5 м, длины участков сортировки мелкой и средней фракций составили 0,6 м. К.п.д. транспортирования ЛАЭСКУ может достигать 25%, а к.п.д. инерционного транспортирования с классическим приводом только 5%.

Список литературы

1. Гортинский, В.В. О техническом уровне и перспективах развития вибрационных машин для зерноперерабатывающей и пищевой промышленности/ В.В. Гортинский // Машиноведение, 1985. - №1. - С. 3 - 7.

2. Аипов, Р.С. Линейные электрические машины и линейные асинхронные электроприводы технологических машин: монография / Р.С. Аипов, А.В. Линенко. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2013. - 308 с.

3. Линенко, А.В. Линейные асинхронные электроприводы сложного колебательного движения для технологических машин АПК: учебное пособие / А.В. Линенко. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2015. - 184 стр.

4. Линенко, А.В. Безредукторный асинхронный электропривод технологической машины со сложным колебательным движением рабочего органа/ А.В. Линенко, Я.Д. Осипов //Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий. Материалы Всероссийской научно-технической конференции: Т1. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2007. - С. 255 - 259.

5. Пат. на изобр. № 2422348 РФ. Инерционный конвейер / Р. С. Аипов, С. В. Акчурин, А. В. Линенко, М. Ф. Туктаров; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. - № 2010110857/11 ; заявл. 22.03.2010 ; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18. - 5 с.

6. Артоболевский, И.И. Методы уравновешивания сил инерции в рабочих машинах со сложными кинематическими схемами / И.И. Артоболевский. - М.: Изд-во АН СССР, 1938. - 47с.

7. Гаппоев, Т.Т. Уравновешивание инерционных нагрузок двустанных решетных зерноочистительных машин [Текст] / Т.Т. Гаппоев, Ю.Л. Паршин // Уравновешивание роторов и механизмов. - М.: Машиностроение, 1978. - С. 254-262.

Размещено на Allbest.ru