Совершенствование технических средств и технологий агропромышленного комплекса системами с электромагнитными импульсными машинами

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тема:

Совершенствование технических средств и технологий АПК системами с электромагнитными импульсными машинами

Усанов К.М.

Саратов - 2009

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

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Угаров Геннадий Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович;

доктор технических наук, профессор Гордеев Александр Сергеевич;

доктор технических наук, профессор Баев Виктор Иванович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».

Ученый секретарь диссертационного совета Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В настоящее время подъем, становление и устойчивое развитие сельскохозяйственной отрасли неразрывно связаны с поиском и внедрением прогрессивных методов интенсификации операций и процессов, среди которых импульсные и вибрационные способы, позволяющие концентрировать и эффективно расходовать энергию, занимают существенное место. Использование импульсов и вибраций в условиях сельскохозяйственного производства позволяет усовершенствовать или упростить конструкцию и повысить КПД машин, улучшить качество выполняемых процессов в полеводстве, животноводстве, переработке продукции, ремонте сельскохозяйственной техники, механизировать операции и процессы, в которых другие способы оказываются нерезультативными.

В группах потенциально реализуемых в агропромышленном комплексе (АПК) с применением импульсов (группы А, Б) и вибраций (группа В) технологий важное место принадлежит операциям и процессам, обеспечиваемым ударными (группа А) или силовыми (группа Б) импульсами значительной интенсивности на объект, продукт или среду. Анализ показывает, что дискретные воздействия с усилиями F = 10…50 кН или механической энергией А_у = 0,04…1 кДж, используемые в сельхозтехнологиях взамен привычных, с непрерывной подачей энергии, обеспечивают нормальную работу транспортеров стационарных кормораздатчиков, отжимание сока из ягод и мягких плодов, позволяют предотвращать образование устойчивых сводов в бункерах хранения сыпучих продуктов, забивать (выдергивать) в грунт стержневые электроды при устройстве заземлений или катодной защиты при электрификации или газификации села, вести инженерные изыскания при строительстве или реконструкции объектов АПК и т.п.

Наряду с традиционно используемыми гидравлическими и пневматическими устройствами и системами возрастающую роль играют электрические импульсные системы и машины, реализующие непосредственное, без промежуточных звеньев, энергопреобразование. Их исследованию посвящено значительное количество работ, к основным из которых следует отнести работы П.М. Алабужева, О.Д. Алимова, Н.П. Ряшенцева, А.Н. Мирошниченко, Ю.З. Ковалева, В.В. Ивашина, В.К. Манжосова, Б.Ф. Симонова, Г.Г. Угарова, В.Н. Гурницкого, Е.М. Тимошенко, Г.В. Никитенко, А.В. Львицына, В.И. Мошкина, В.Ю. Неймана и других специалистов.

Силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС), имеющие в основе линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) и обеспечивающие наилучшие условия совместимости или интеграции приводного двигателя и рабочего органа машины, представляются здесь наиболее перспективными. Предпочтительность их применения при совершенствовании перечисленных и схожих операций в АПК предопределяется лучшей экологичностью, возможностью упрощения кинематических схем и конструкций машин и уменьшения многоступенчатости энергопреобразования, улучшения массогабаритных характеристик изделий и выступает важным направлением энерго- и ресурсо-сбережения в сельскохозяйственной отрасли. Прогнозные оценки показывают, что использование СЭМИС вместо традиционных электроприводов в перечисленных или схожих операциях позволяет сократить энергозатраты на реализацию отдельной операции от двух и более раз и сэкономить за год, в среднем, не менее 1000 кВт·ч электроэнергии на каждую систему. При этом главным препятствием в рациональной замене традиционных электроприводов и систем импульсными, электромагнитными являются отсутствие, либо неприспособленность известных машин с ЛЭМД к операциям и процессам сельхозпроизводства, а необходимым условием расширения областей их эффективного применения в технологиях АПК, основанных на использовании ударных (группа технологий А) или силовых дискретных (группа технологий Б) воздействий, является повышение эффективности как электромагнитных двигателей импульсных машин, так и совершенствование систем с их использованием стационарного и мобильного исполнения, в том числе, переносных с автономными источниками.

Основанием для этой работы, представляющейся продолжением комплекса работ по созданию и совершенствованию машин с импульсными линейными электромагнитными двигателями, предназначенных для механизации трудоемких технологических процессов, являются программы:

ѕ Научно-координационный план РАН по проблеме 1.11.1 - теория машин и систем машин по теме «Динамика и синтез механизмов для возбуждения силовых воздействий большой интенсивности»;

ѕ Направление 1.11.1.8 координационного плана РАН по теме «Динамический анализ и синтез схем и конструкций виброударных и импульсных машин и механизмов по условиям оптимального взаимодействия со средой»;

ѕ Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу (утв. Президентом РФ 30 марта 2002 г. №Пр ? 576);

ѕ Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы;

-- НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» «Разработка технического обеспечения аграрных технологий».

Цель работы. Создание и совершенствование силовых электромагнитных импульсных машин и систем, обеспечивающих энергосбережение в технологиях АПК за счет повышения эффективности линейных электромагнитных двигателей и рабочих процессов в системах с их использованием.

Научная проблема заключается в том, что существующие научно обоснованные методы, подходы и технические решения не позволяют создать электромагнитные импульсные машины и системы с существенно новыми свойствами для рациональной замены традиционных электроприводов и систем и энергосбережения в ряде процессов и технологий на предприятиях агропромышленного комплекса.

Рабочая гипотеза основана на том, что в системах с импульсными ЛЭМД циклическая концентрация подводимой электрической и дискретное дозирование передаваемой объекту механической энергии достигаются меньшим, чем в традиционных системах, числом звеньев и стадий энергопреобразования в простых и технологичных двигателях или машинах, что способствует энергосбережению и повышает эффективность ряда операций и процессов в АПК.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

ѕ обосновать целесообразность применения силовых электромагнитных импульсных машин и систем в технологиях и на объектах АПК, сформулировать представление и установить научно-методические основы исследования и создания этих систем, в том числе, мобильных, определяемых совокупностью импульсной машины с ЛЭМД, управляющего преобразователя и источника питания ограниченной мощности;

ѕ сопоставить наиболее характерные типы магнитных систем ЛЭМД импульсных машин и выявить систему с высокими потенциальными возможностями, наиболее эффективную с точки зрения энергопреобразовательных процессов, отличающуюся конструктивной универсальностью, позволяющую создавать и проектировать импульсные электромагнитные машины различного технологического назначения с использованием ЛЭМД одного типа;

ѕ наметить пути совершенствования энергопреобразовательного процесса за счет реализации такой совокупности режимов в рабочем цикле двигателя, при которой обеспечивается эффективное преобразование электрической энергии в механическую работу в ЛЭМД;

ѕ оценить показатели и потенциальные возможности автономных электроисточников и накопителей энергии при энергопитании ЛЭМД импульсных машин; создать автономный мобильный источник, обеспечивающий требуемые динамические и энергетические характеристики импульсных машин с ЛЭМД; проанализировать принципы построения и разработать принципиальные схемы электрических преобразователей для ЛЭМД импульсных, в том числе, переносных машин, обеспечивающих эффективные энергопреобразовательные циклы;

ѕ исследовать рабочие процессы в силовой электромагнитной импульсной системе; выявить сочетание конструктивных и режимных факторов, повышающее динамическую и энергетическую эффективность импульсных, в том числе, мобильных, переносных машин и систем с ЛЭМД;

ѕ проанализировать основные структурные и функциональные признаки и разработать принципиальные схемы электромагнитных машин, представляемых совокупностью импульсного ЛЭМД и устройства вывода и передачи ударных или силовых импульсов нагрузке; сопоставить способы и обосновать конструктивные схемы и параметры устройств передачи механической энергии от якоря ЛЭМД к нагрузке;

ѕ разработать методы расчета основных энергетических параметров и конструктивных размеров ЛЭМД импульсных машин;

ѕ разработать конструкции функциональных и удобных в эксплуатации импульсных электромагнитных, в том числе, мобильных машин и установок для забивания-выдергивания стержней, электродов, интенсификации разгрузки бункеров, других применений; провести производственные и полевые испытания созданных образцов импульсных машин и систем.

Методы исследований. Все исследования в работе осуществлялись с позиций основополагающих принципов системного подхода. Теоретические исследования проводились с использованием законов электромеханики, теоретических основ электротехники, основных положений теории электрических машин и автоматизированного электропривода, аппарата математического анализа и численных методов решения задач.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры. Задачи, решаемые в работе, привели к созданию двух стендов для лабораторных исследований физических моделей и опытных образцов электромагнитных импульсных машин.

Научная новизна:

ѕ развито представление о силовой электромагнитной импульсной системе и сформулировано понятие мобильной электромагнитной импульсной системы как функционального единства ограниченных по массе, габаритам и мощности источника питания, рабочей машины с ЛЭМД и согласующего их взаимодействие импульсного преобразователя, которое повышает эффективность решения целого ряда практических задач в АПК;

ѕ выдвинут, обоснован и практически подтвержден тезис об универсальности магнитной системы и конструкции броневого цилиндрического двухзазорного ЛЭМД, позволяющей сменой способа вывода механической мощности и выбором длины рабочего хода якоря создавать машины и импульсные системы для различных применений в процессах и технологиях АПК;

ѕ предложен способ передачи механической мощности от якоря двигателя выходному элементу и принципиальные схемы электромагнитных машин со сквозным осевым каналом, обеспечивающие при ограниченном рабочем ходе якоря любые необходимые линейные перемещения выходного элемента и неторцевую забивку продольно-неустойчивых стержневых элементов произвольной длины;

ѕ установлена предпочтительность аккумуляторного энергопитания для переносных электромагнитных импульсных машин кратковременного режима и комбинированного, с использованием конденсаторных накопителей, - для машин повторно-кратковременного и продолжительного режимов, определяемая минимальными габаритами, массой и высокими энергетическими показателями системы;

ѕ обосновано применение низковольтных конденсаторных накопителей фарадной и многофарадной емкости при передаче энергии источника двигателю, обеспечивающее эффективные энергопреобразовательные процессы ЛЭМД и высокие выходные характеристики переносных импульсных машин при одновременном многократном снижении мощности первичного источника - бензоагрегата или аккумуляторной батареи;

ѕ выявлена целесообразность секционирования емкостного накопителя для неодновременного, поочередного разряда секций на обмотку машины в рабочем цикле, позволяющего влиять на форму питающего импульса и расширяющего возможности управления выходной энергией;

ѕ развиты принципы построения тиристорных преобразователей для ЛЭМД переносных машин; разработан преобразователь с переменной коммутационной способностью, обеспечивающий хорошие выходные показатели импульсной машины, питаемой и от аккумуляторной батареи, и от емкостного накопителя;

ѕ предельные статические режимы ЛЭМД при намагничивающем токе в обмотке, соответствующем рабочему режиму импульсной машины;

ѕ выявлены и реализованы рабочие циклы ЛЭМД импульсных машин с сочетанием энергопреобразовательных режимов, обеспечивающим увеличение выходных энергетических показателей при одновременном снижении энергопотребления от источника.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована:

ѕ сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследований характеристик ЛЭМД и рабочих процессов импульсных машин и комплексов с их использованием;

ѕ экспериментальными данными, полученными на специально разработанных стендах при испытаниях ЛЭМД и электромагнитных машин;

ѕ результатами полевых испытаний опытных образцов автономных комплексов с импульсными ЛЭМД, созданных на основе или с учетом результатов проведенных исследований.

На защиту выносится:

для технологий групп А, Б

ѕ кинематическое, на холостом ходе, разделение якоря и элемента вывода механической мощности из ЛЭМД позволяет при создании электромагнитных машин преодолеть противоречия, определяемые ограниченным ходом д якоря и существенной нелинейностью силовой характеристики , повысить функциональность импульсных электромагнитных машин и расширить области их эффективного применения, в том числе, в АПК;

ѕ применение сквозного осевого канала в линейном электромагнитном двигателе позволяет создавать машины для ударных и неударных технологий с любыми необходимыми осевыми перемещениями выходного элемента при ограниченном ходе д якоря и передаче его механической мощности к элементу в неторцевом произвольном сечении элемента;

для технологий группы А

ѕ в ЛЭМД переносной импульсной машины автоколебания якоря за счет обратной связи по его координате на рабочем и холостом ходе повышают выходные энергетические показатели, в среднем, в 1,3 раза при одновременном снижении энергопотребления от источника за счет реализации устойчивого режима динамического индуктивного накопителя энергии при холостом, и предотвращения режима короткого замыкания при рабочем ходе якоря;

ѕ в электромагнитной ударной машине со сквозным осевым каналом частичная кинематическая развязка корпуса и наковальни за счет их взаимного осевого перемещения на величину 0,1 от хода якоря снижает коэффициент восстановления его скорости при ударе в среднем в два раза и улучшает вибрационно-силовые характеристики и эффективность ударной машины;

ѕ стартерные аккумуляторы и переносные бензоагрегаты, оснащенные конденсаторными накопителями фарадной емкости, позволяют создавать импульсные источники с необходимыми показателями для питания электромагнитных машин кратковременного, повторно-кратковременного и продолжительного режима с выходной энергией а_у = 0,04…0,8 кДж и частотой ходов n = 0,2…10 с^-1;

ѕ питаемая от стартерных аккумуляторов переносная электромагнитная ударная машина кратковременного режима обеспечивает сопоставимые с пневмо- и гидроударниками выходные показатели при номинальной емкости батареи С_н на единицу массы m машины С_н/m = 1,1…1,5 А·ч/кг и удельном напряжении на обмотке U_н/W = 0,8…1,5 В/ виток;

ѕ батарея электролитических конденсаторов фарадной и более емкости при разряде на обмотку импульсного ЛЭМД с выходной энергией А_у0,8 кДж развивает удельную мощность до 0,75 кВт на кг массы машины и формирует униполярные питающие импульсы с необходимыми параметрами при единичных (n0,2 с^-1) и непрерывных (n10 с^-1) срабатываниях, обеспечивая режим питания электромагнитной машины, схожий с аккумуляторным при собственных удельных показателях 0,2 кДж/кг и 80 кДж/м³;

ѕ неодновременный разряд секций емкостного накопителя на обмотку ЛЭМД в функции координаты совершающего рабочий ход якоря создает предпосылки к улучшению удельных показателей и электромагнитных машин, и импульсных источников с накопителями за счет лучшего согласования разрядного процесса накопителя с динамическими в ЛЭМД;

для технологий группы Б

ѕ в линейных двигателях неударных машин выходные элементы в виде зубчатых или гладких штанг или тросов, перемещаемые на каждом рабочем ходе якорем на величину д, позволяют реализовывать любые результирующие перемещения n·д, n = 1, 2,… при неизменном, на всей длине n·д, среднем усилии F_ср = const, величина которого тем меньше отличается от начального - конечного усилия двигателя на ходе д, чем короче рабочий ход д якоря.

Практическое значение работы:

ѕ обоснованы и предложены принципиальные схемы и конструкции цилиндрических ЛЭМД, в том числе, со сквозным осевым каналом, позволяющие не только разрабатывать импульсные машины с новыми свойствами и улучшенными характеристиками, но и создавать на базе этих машин автономные переносные электротехнические комплексы для различных применений, оснащая их аккумуляторными, конденсаторными или комбинированными устройствами питания с ограниченными габаритами, массой и мощностью;

ѕ созданы и испытаны в лабораторных и производственных условиях автономные электрические комплексы с переносными и навесными импульсными машинами с выходной энергией 0,04…0,8 кДж с аккумуляторным и аккумуляторно-конденсаторным питанием.

Реализация результатов работы. Основные методические принципы и положения, разработанные по результатам проведенных исследований, рассмотрены научно-техническим советом министерства сельского хозяйства Саратовской области, техническим советом филиала «ПоволжСЭП» («Сельэнергопроект»), признаны важными и рекомендованы для создания и внедрения электромагнитных систем в операции и процессы на предприятиях и объектах сельскохозяйственной отрасли. Результаты исследований были использованы и другими заинтересованными организациями, в частности, специализированным КБ предприятия п/я Г-4586; филиалом ФГУП «НВНИИГГ» «Саратовская геофизическая экспедиция»,- при разработке и проведении испытаний автономных электротехнических комплексов с электромагнитными машинами для импульсных технологий.

Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и цели работы, в предложении новых конструкций импульсных электромагнитных машин и автономных электротехнических комплексов с их использованием, проведении экспериментальных и теоретических исследований и обобщении их результатов, разработке методик расчета основных элементов, осуществлении авторского надзора и выполнении полевых испытаний созданных автономных электротехнических комплексов.

В отличие от близких по электромагнитной тематике исследований предшественников, посвященных повышению эффективности собственно линейных электромагнитных двигателей, настоящая работа нацелена на создание по результатам исследований на базе однообмоточных броневых цилиндрических ЛЭМД силовых электромагнитных импульсных систем, в том числе, мобильных, с автономными источниками, включающих, в общем случае, электромагнитную машину с ЛЭМД, источник питания и согласующий их взаимодействие управляющий преобразователь.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на VI Всесоюзном совещании «Электрические виброимпульсные системы» (г. Новосибирск, 1987 г.); Всесоюзной конференции по вибрационной технике (г. Кобулети, 1987 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования электропривода в сельскохозяйственном производстве» (г. Челябинск, 1989 г.); объединенных научно-технических семинарах лаборатории силовых электромагнитных импульсных систем, горных и строительных машин ударного действия и систем управления виброимпульсными источниками Института горного дела СО АН СССР (г. Новосибирск, 1987 - 1991 гг.); десятой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 1995 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2004 г.); первой, второй, третьей, Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2002,2003,2005 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ, в том числе, семь - в рецензируемых изданиях, указанных в «Перечне…ВАК», одна монография, 8 авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели. Общий объем публикаций составляет 29 п.л., из которых 22,1 п.л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 210 наименований и 4 приложений. Материал работы изложен на 433 страницах машинописного текста, включая 137 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Особенности практического применения систем с импульсными электромагнитными машинами в технологиях и на объектах АПК. Задачи и методы исследований. Импульсные и вибрационные методы интенсификации технологических процессов распространены в технике и применяются, в том числе, на предприятиях и объектах АПК. Несмотря на то, что технологии сельскохозяйственной отрасли отличаются разнообразием и во многих случаях сложнее промышленных, доказано, что применение механических импульсов и колебаний снижает энергозатраты и повышает эффективность обработки почвы, внесения удобрений, уборочных и послеуборочных процессов, операций в животноводстве, проведения ремонта сельскохозяйственной техники. Результативность такого применения существенно зависит от обоснованности и рациональности выбора и использования средств возбуждения колебаний и импульсов.

Применяемые на крупных предприятиях гидро- и пневмоимпульсные системы и изделия, стационарные или мобильные, навесного и переносного исполнений или ручные обладают высокой производительностью, хорошими энергетическими и массогабаритными характеристиками, при необходимости легко монтируются на транспортное средство, просто обеспечиваются энергоносителем от гидро- или пневмосистемы трактора, самоходного шасси или автомобиля и незаменимы при значительных объемах работ или перерабатываемого продукта.

(а)

(б)

Рисунок 1. Энергопреобразования в пневматических (а) и электромагнитных (б) импульсных системах

Однако на малых, вновь создаваемых сельскохозяйственных предприятиях, использующих один вид энергоносителя, где устройство компрессорного или маслохозяйства затруднительно или невыгодно, в мобильных применениях при относительно небольших объемах монтажных работ, когда транспортировать мощную технику нецелесообразно и следует обходиться легковым автотранспортом, системы с электромагнитными машинами представляются уместными и могут конкурировать с традиционными, поскольку по наиболее важным для импульсных машин техническим характеристикам - «энергия удара А_у», «ударная мощность Р_у», удельным, на единицу массы m, энергетическим показателям А_у/m, Р_у/m и КПД, - они обладают значительными потенциальными возможностями, сопоставимыми с традиционными устройствами и системами, и способны выступить альтернативой в заявленных применениях.

Совокупность технических устройств и последовательность энергопреобразований в традиционных и предлагаемых системах с электромагнитными машинами для процессов и технологий сельхозпредприятий иллюстрируются структурными схемами на рисунке 1. Электромагнитные системы позволяют обойтись без компрессоров, маслостанций, магистралей для транспортировки рабочей среды к импульсной машине, что упрощает изготовление, монтаж, удешевляет эксплуатацию систем и обеспечивает совершенствование операций, процессов или технологий, реализуемых на предприятиях АПК.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 2. Обобщенная структурная схема СЭМИС

При оценке возможности совершенствования технологий сельскохозяйственной отрасли машинами и системами с линейными электромагнитными двигателями операции и процессы условно разделены на группы (таблица 1), определяемые соотношением результирующих перемещений инструмента и якоря двигателя и характером их взаимодействия в каждом цикле при выполнении операции или процесса:

ѕ группа А - разгон якоря и удар по нагрузке или инструменту, обеспечивающий их малое, в сравнении с ходом якоря, перемещение (сводообрушение в бункерах, забивание стержневых элементов и др.);

ѕ группа Б - безударная передача силовых импульсов инструменту или нагрузке совершающим рабочий ход якорем, при которой их перемещения совпадают или близки (прессование кип, кормораздача тросовыми или штанговыми транспортерами и др.);

ѕ группа В - колебательное движение якоря двигателя с относительно большой частотой и малой амплитудой, обеспечивающее вибрацию рабочего инструмента или среды.

Рассматриваются технические средства стационарного и мобильного исполнения для характерных операций, выполняемых в сельскохозяйственных или перерабатывающих производствах, строительных организациях и предприятиях и оцениваются перспективы применения систем с импульсными электромагнитными машинами в процессах и технологиях в агропромышленном комплексе.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Сопоставлены свойства и уточнены преимущества использования импульсных ЛЭМД для привода побудителей истечения сыпучих продуктов при разгрузке бункеров, ударных машин для забивки стержневых заземлителей, шпунта, стоек изгородей загонов для скота, культурных пастбищ и т.п. Кратко оценены достигнутый уровень и показатели известных электромагнитных машин различного назначения, предложена обобщенная структурная схема электромагнитной импульсной системы (рисунок 3). Определены перспективные направления в решении задач повышения эффективности существующих или разработки новых систем с электромагнитными машинами с улучшенными свойствами для совершенствования технологий и процессов на предприятиях АПК.



Рисунок 3. Магнитные системы ЛЭМД цилиндрической структуры

2. Линейные электромагнитные двигатели импульсных машин с повышенными энергетическими показателями. Важным вопросом при создании импульсных электромагнитных машин, особенно мобильных или переносных, является выбор двигателя, обеспечивающий в условиях конструктивных ограничений на объем и массу активных материалов, мощность и энергоемкость источника питания, приемлемую экономичность и энергетические показатели всей системы. Перспективными, с этой точки зрения, представляются однообмоточные ЛЭМД цилиндрической структуры с упругим возвратным элементом, единичный рабочий цикл которых состоит из совокупности интервалов аккумулирования потенциальной, магнитной, кинетической энергии в упругих, индуктивных, инерционных накопительных элементах машины и последующего преобразования ее в механическую работу.

Так как все энергетические процессы и режимы ЛЭМД обусловлены аккумулированием энергии, то целенаправленное воздействие различными способами на ее накопление в элементах двигателя в течение цикла принято в работе определяющим направлением повышения удельных показателей импульсных электромагнитных машин.

Фундаментальный принцип неоднородности участвующего в преобразовании электрической энергии в механическую силового магнитного поля является теоретической основой повышения эффективности ЛЭМД. При этом работа якоря на конечном перемещении тем больше, чем выше сила тяги, определяемая градиентом потенциальной энергии и неоднородностью магнитного поля. Наиболее полная реализация этого фундаментального принципа имеет место в магнитных системах, где обеспечивается лучшее использование магнитного потока, увеличение площади рабочего зазора и поверхности якоря, взаимодействующей с ярмом, меньшее число паразитных зазоров. ЛЭМД броневой цилиндрической структуры, в которых учтены эти особенности и приняты к исследованию, показаны на рисунке 4.

а)б)

Рисунок 4. Функциональные схемы и диаграммы рабочих процессов импульсных электромагнитных однообмоточных машин: а) рабочий ход - электромагнит; холостой ход - пружина; б) с пружинным и гравитационным накопителем; 1 - устройство передачи энергии; 2 - боек; 3 - стержень; 4 - корпус статора; 5 - обмотка; 6 - пружина.

Для импульсных электромагнитных машин оценивается предпочтительность реализации рабочего и возвратного движений якоря в энергопреобразовательном цикле ЛЭМД под действием электромагнитных сил или упругого аккумулирующего звена (рисунок 4).

Для конструктивной схемы (рисунок 4, а) мгновенные значения действующих на боек результирующих сил на этапе рабочего и холостого хода определяются уравнениями:

(1)

где g - ускорение свободного падения. Для работы машины необходимо, чтобы >f_пр; f_пр>mg.

Для конструктивной схемы (рисунок 4, б) мгновенные значения действующих на боек результирующих сил на этапе рабочего и холостого хода заданы выражениями:

(2)

Необходимым условием работоспособности машины является >f_пр+mg. При этом вся работа, совершаемая в период холостого хода за счет электромагнитной силы, идет на зарядку аккумуляторов: пружинного и гравитационного.

а) б)

Рисунок 5. Вебер-амперные характеристики (а) и диаграмма нагружения якоря (б) ЛЭМД

Исследовано влияние предварительного нагружения неподвижного, на этапе трогания, якоря как эффективного способа улучшения характеристик ЛЭМД импульсных машин с одиночными (редкими) срабатываниями якоря.

Если характеристика намагничивания 0₁ при начальном зазоре ₁ якоря и момент его трогания соответствует току в обмотке (рисунок 5, а), то к началу механического движения в ЛЭМД аккумулируется магнитная энергия, определяемая площадью S_? треугольника , а механическая энергия к окончанию цикла и остановке якоря в положении 0₂ - площадью . Подгрузив в исходном положении якорь силой F_п() (рисунок 5, б)

(3)

и увеличив этим ток трогания до I₁, повышают механическую энергию в цикле до

= + (рисунок 5, а).

Представленные в относительных единицах характеристики цикла при базисных значениях (время свободного падения якоря массой М с высоты ₁); Мg₁ (потенциальная энергия):

Рисунок 6. ЛЭМД с устройством удержания

, (4)

. (5)

Для цикла ш = const, соответственно:

, (6) , (7)

где - относительное начальное противодействующее усилие; m = L₂/L₁, k = I₁/I₂ - соответственно кратности изменения индуктивности и тока обмотки; m>k>1.

Обоснованы принципиальные схемы построения цилиндрических двухзазорных линейных электромагнитных двигателей с интегрированными устройствами нагружения, имеющих, по сравнению с известными, повышенные в 1,3…1,5 раза выходные показатели (рисунок 7).

Рисунок 7. Диаграмма процесса энергопреобразования в ЛЭМД

3. Энергопреобразование в рабочих циклах импульсных электромагнитных машин. Глава посвящена аналитическому исследованию единичного цикла линейного электромагнитного двигателя и выявлению условий повышения эффективности энергопреобразования в импульсном ЛЭМД. Свойственная энергопреобразовательным циклам такого двигателя двухстадийность позволила представить его при анализе совокупностью электрической, магнитной и механической подсистем и разделить цикл на процессы, которые сопровождают интервалы трогания и движения якоря ЛЭМД. Для анализа закономерностей энергопреобразовательных процессов каждого интервала цикла, определяемых условиями изменения во времени потокосцепления и тока обмотки ЛЭМД, использованы энергетические диаграммы, построенные в осях «потокосцепление - ток i» (рисунок 7).

Для интерпретации состояния электромагнитной машины на -i диаграмме единая совокупность одновременных явлений при работе ЛЭМД условно разделена на процессы, определяющие состояние электрической, магнитной и механической систем двигателя, рассматриваемые раздельно. Получены выражения для оценки относительных значений мощности, поступающей в каждую подсистему двигателя в любой момент цикла:

Рисунок 8. Энергопреобразование в ЛЭМД с аккумулированием магнитной энергии в период холостого хода

, (8)

, (9)

, (10)

где б = 180-2и-г.

Для насыщенной и ненасыщенной магнитной цепи оценено влияние изменения параметров двигателя в цикле на механическую мощность движения якоря и определены условия достижения ее максимума. Показана взаимосвязь показателей энергопреобразования с величиной противо-ЭДС обмотки ЛЭМД, которая сопровождает изменения намагничивающего тока в течение цикла и позволяет оценивать эффективность энергопреобразования.

Рисунок 9. Схема ЭП ЛЭМД с узлом статического нагружения якоря

Часть механической энергии рабочего хода якоря аккумулируется в пружине и обеспечивает его возврат по окончании питающего импульса. Для ЛЭМД импульсных машин с непрерывными ходами рекуперация и использование части этой энергии представляется одним из способов повышения их эффективности. При реализации в ЛЭМД режима динамического накопителя характерным представляется рабочий цикл с увеличивающимся потокосцеплением и током - ₁₂; I₁I₂ (рисунок 9). Уравнение энергобаланса этапа холостого хода машины в общем случае имеет вид:

, (11)

где W_c, A_мех, Q, W_м, А_м - соответственно, электрическая энергия источника, механическая работа, направленная против сил магнитного поля, потери в меди обмотки, составляющие энергии магнитного поля, преобразованные из электрической и механической энергии.

Процесс динамического аккумулирования магнитной энергии на этапе возврата якоря пружиной представляется в виде

, (12)

где u, i, f_n - мгновенные значения напряжения, тока, усилия пружины; R - активное сопротивление обмотки; х - перемещение якоря, и правая часть уравнения (12) определяет величину магнитной энергии к началу периода рабочего хода якоря.

Рисунок 10. Осциллограммы рабочего процесса переносной электромагнитной машины

При этом связь преобразованной из механической и запасенной в магнитном поле ЛЭМД энергии (площадь треугольника ОАВ, рисунок 8) с начальной магнитной W₀ энергией (площадь треугольника ОАШ₁): , а уравнение энергобаланса для каждого последующего, начиная со второго, рабочего хода якоря:

, (13)

где f_э, V - мгновенные значения электромагнитной силы, скорости якоря.

Рисунок 11. Влияние мощности источника питания на показатели электромагнитной машины

Таким образом, энергия магнитного поля, запасенная системой в период холостого хода за интервал времени t₁ - t₂, и электрическая энергия, поступающая из сети в период рабочего хода t₂ - t₃, расходуется на совершение механической работы, увеличение потенциальной энергии возвратной пружины и на изменение энергии магнитного поля ЛЭМД. Такой рабочий цикл повышает выходную механическую энергию и является предпочтительным для мобильных и переносных электромагнитных импульсных машин на предприятиях агропромышленного комплекса.

Для машин с непрерывными ходами предложена функциональная схема реализации рабочих циклов с рекуперацией и аккумулированием магнитной энергии на этапе на этапе возврата якоря пружиной.

4. Взаимодействие импульсных электромагнитных машин с мобильными электроисточниками и устройствами питания и управления. В главе рассматривается взаимодействие импульсных электромагнитных машин с источниками питания.

Необходимые для работы ЛЭМД выбранного типа униполярные импульсы напряжения и тока не могут быть получены при непосредственном подключении обмотки к зажимам источника и формируются специальным устройством питания и управления (ЭП). На предприятиях АПК импульсные электромагнитные машины в стационарном или мобильном, переносном исполнении подключаются к источникам одно- или трехфазного переменного напряжения, в том числе, передвижным бензогенераторам. Для этих источников разработаны на базе однополупериодных управляемых выпрямителей устройства, реализующие единичные или непрерывные срабатывания и регулирование параметров механического движения якоря ЛЭМД. Для одноударных машин предложен ЭП, обеспечивающий, дополнительно, регулируемое электромагнитное подгружение неподвижного, на этапе трогания, якоря и повышение выходных показателей (рисунок 9).

Рисунок 12. Схема системы с накопителем энергии

В отличие от ЭП переменного тока, для источников с аккумуляторами требуются более сложные преобразователи, где в каждом цикле срабатывания ЛЭМД необходима искусственная коммутация силовых полупроводниковых ключей.

Рисунок 13. Влияние начального рабочего зазора на величину намагничивающего тока ЛЭМД

Рисунок 14. Влияние рабочего зазора на показатели ЛЭМД

энергосбережение агропромышленный электромагнитный импульсный

Предложены и исследованы эффективные ЭП с переменной, зависящей от тока машины, коммутационной способностью, где обеспечивается надежное запирание переключающихся элементов при изменяющихся в процессе работы свойствах источника. Исследованы динамические характеристики энергопреобразовательного цикла электромагнитной машины, подключенной к бензогенератору (рисунок 10), и выполнена сравнительная оценка изменения выходных показателей машины при питании от сети или бензогенераторов (рисунок 11).

Применение аккумуляторных источников для работы с мобильными, переносными импульсными электромагнитными машинами позволяет существенно расширить области их эффективного использования на объектах АПК. Поскольку характеристики аккумуляторов неоднозначны и существенно зависят от характера нагрузки, нормированного разрядного тока, условий окружающей среды и т.д. исследовано влияние импульсной электромагнитной машины на показатели свинцовых и щелочных батарей источника. Предложена функциональная схема (рисунок 12) и дана приближенная аналитическая оценка целесообразности использования промежуточных накопителей энергии для уменьшения влияния нормированного разрядного тока на показатели аккумуляторного источника.

5. Рабочие процессы импульсных машин и систем с линейными электромагнитными двигателями

Экспериментальные исследования машин и систем с импульсными ЛЭМД предполагали: оценку их предельных возможностей по силовым и энергетическим показателям статического режима и влияния конфигурации и конструктивных параметров магнитной системы двигателей на эти показатели; измерение и сравнительную оценку выходных энергетических показателей мобильных машин в рабочих режимах ; изучение особенностей энергопреобразования в ЛЭМД импульсных машин и определение закономерностей влияния на его эффективность режимных, конструктивных, технологических параметров и систем питания для выработки обоснованных рекомендаций по их рациональному выбору; проверку практической пригодности и эксплуатационных свойств рабочих машин с импульсными ЛЭМД, электрических преобразователей и источников питания

Рисунок 15. Осциллограмма рабочего процесса ударной машины с аккумуляторным питанием

Рисунок 16. Схема импульсного источника питания

По результатам анализа статического режима оценено влияние характерных элементов магнитной системы двигателя на форму статической характеристики, интегральную работу, развиваемую максимальную электромагнитную силу, обоснованы соотношения размеров этих элементов. Статические характеристики ЛЭМД машин с аккумуляторным питанием получены, в отличие от известных, при значениях намагничивающего тока в обмотке, соответствующих рабочим режимам импульсных систем.

Рисунок 17. Динамические характеристики ЛЭМД с одноимпульсным конденсаторным питанием

С целью определения рациональной длины разгона якоря в ЛЭМД ударных машин проведена оценка влияния хода якоря на электрические, магнитные и механические показатели двигателя (рисунок 13). Изучена взаимосвязь между длиной рабочего хода и значением объемной плотности энергии, аккумулируемой в воздушных зазорах ЛЭМД (рисунок 14). Полученные экспериментально динамические характеристики рабочих циклов позволили оценить влияние и уточнить значения конструктивных, режимных и других факторов на выходные энергетические показатели машины, определить их сочетания, обеспечивающие максимальную выходную энергию или КПД.

Рисунок 18. Временные диаграммы рабочего цикла ЛЭМД

Для однообмоточных электромагнитных двигателей машин с автоколебаниями якоря выполнена экспериментальная проверка реализованного режима динамического накопителя энергии, повысившего эффективность энергопреобразовательных циклов ЛЭМД за счет одновременного увеличения выходной механической энергии, ударной мощности и КПД в среднем, в 1,3 раза (рисунок 15).

Рисунок 19. Энергетическая диаграмма ЛЭМД

Исследованы рабочие процессы электромагнитной машины, питаемой от импульсного источника с конденсаторным накопителем с повышенной, на три порядка, по сравнению с известными устройствами, емкостью и обеспечивающего электрический режим двигателя, схожий с питанием от аккумуляторного источника (рисунок 16).

Анализ рассматриваемых многофакторных систем проведен, в том числе, с использованием теории планирования экспериментов. Основные характеристики плана эксперимента при исследовании зависимостей А_у = f(С, U, z,); n = f(С, U, z,); з = f(С, U, z,) представлены в таблице 2.

Таблица 2

Основные характеристики плана эксперимента

Характеристика	Емкость накопителя, С, Ф		Напряжение, U, В		Жесткость пружины, z, Н/м
Основной уровень Со, Uо, zо	0,07	0	85	0	800	0
Интервал варьирования, ДС, ДU, Дz	0,06	-	35	-	300	-
Верхний уровень Сmax, Umax, zmax	0,13	+1	120	+1	1100	+1
Нижний уровень Сmin, Umin, zmin	0,01	-1	50	-1	500	-1

Рисунок 20. Поверхность отклика А_у = f(U, С) при z на уровне «-1»

Окончательный, после упрощения, вид регрессионного уравнения для механической энергии импульсной машины:

А_у = 45,46+35,83+37,8-3,57+

+32,587-4,88-3,68+6,95, (14)

а поверхность отклика при z на уровне «-1» показана на рисунке 20. Значения выходной механической энергии, найденные по выражению (14) удовлетворяют экспериментальным данным с погрешностью менее 9%. Определены регрессионные полиномы для других энергетических показателей электромагнитной машины.

Проведено сравнение эффективности рабочих циклов электромагнитных машин при одно- и многоимпульсном разряде на обмотку секционированного накопителя на интервале единичного срабатывания якоря ЛЭМД (рисунки 17-19). Приведены результаты экспериментальных исследований процессов нагревания-охлаждения импульсной электромагнитной машины с аккумуляторным питанием и уточнены фактические значения основных теплофизических параметров машины.

6. Расчёт и проектирование импульсных электромагнитных машин и их элементов. При создании импульсных машин с линейными электромагнитными двигателями важной представляется задача как по расчету и проектированию самих двигателей, так и обоснованию параметров встроенных устройств и механизмов для передачи выходной энергии инструменту или среде. Все предлагаемые в работе импульсные машины имеют в основе ЛЭМД одного типа. Однако длина рабочих зазоров, ход якоря, способ взаимодействия с объектом, исполнение, функциональные и технологические особенности существенно разнятся и определяются назначением машины. В связи с этим обосновываются компоновка и кинематические схемы машин для заявленных применений (рисунок 21) и оцениваются возможности выбранных двигателей по созданию тех или иных машин.

Рисунок 21. Кинематические схемы импульсных машин с ЛЭМД

Для броневого цилиндрического ЛЭМД с увеличенной длиной рабочих воздушных зазоров рассмотрено математическое описание магнитной цепи и основных статических характеристик - магнитодвижущей силы обмотки и потокосцепления для характерных диапазонов изменения зазора, определяемых соответствующими граничными условиями. На основе интегрально-энергетического подхода, с использованием принципа взаимности предложен проектный метод расчета основных конструктивных показателей электромагнитных двигателей импульсных машин, применяемых в АПК.

Рисунок 22. Расчетная схема и характеристики намагничивания ЛЭМД

При увеличенном рабочем ходе (д?2r₁) интегральную работу машины (рисунок 22) можно представить слагаемыми

А = (15)

С учетом принятых относительных и базисных величин и аппроксимации кривой намагничивания полиномом:

, (16)

где ;

, - относительные значения намагничивающей силы обмотки и магнитной индукции магнитопровода; В- базисное значение индукции; - относительная длина обмотки (рисунок 22); - потокосцепление, соответствующее начальному рабочему зазору короткоходового ЛЭМД; - базисный размер магнитопровода ЛЭМД.

Рисунок 23 Модель системы «ЛЭМД-грунт» (а); схема зажимного механизма (б)

Если величина , получаемая за счет увеличения рабочего хода якоря ЛЭМД (рисунок 23):

(17)

где - индуктивность машины при зазоре и соответственно,

;

- сечение якоря; w - число витков обмотки;

; , - начальный рабочий зазор короткоходового и длинноходового ЛЭМД, то после преобразований:

(18)

Определив взаимосвязь А_и с плотностью тока j_m в обмотке, максимальной индукцией В_m и положив А_и = 2А_у, получим определяющий размер r₁ ЛЭМД:

(19)

где А_у - выходная механическая энергия машины; k_c, k_ок - коэффициенты заполнения магнитопровода, окна, соответственно; з_ц - коэффициент эффективности магнитного цикла.

Рисунок 24. Линейный шаговый электромагнитный двигатель: 1 - штанга, 2, 7 - верхний и нижний заклинивающие элементы, 3 - комбинированный якорь, 4 - обмотка, 5 - возвратная пружина, 6 - статор

Для электромагнитных ударных машин для забивания стержневых элементов предложен основанный на энергетическом подходе метод приближенной оценки потребной энергии воздействия и продолжительности погружения стержня, определяемых его геометрией и свойствами грунта. Приведены приближенные методы оценки режимов работы импульсных электромагнитных машин с учетом допустимой мощности потерь. Сформулированы рекомендации по определению геометрических характеристик зажимных механизмов электромагнитных машин со сквозным осевым каналом (рисунок 23, б) и рассмотрены подходы по согласованию или обеспечению эффективной передачи энергии ударных импульсов в грунт (рисунок 23, а), необходимые при разработке систем для инженерных изысканий в АПК или малоглубинной сейсморазведки в сельской местности.

7. Результаты создания систем с электромагнитными машинами для импульсных технологий. Результаты проведенных исследований позволили создать на базе броневых цилиндрических однообмоточных двухзазорных ЛЭМД импульсные электромагнитные машины и системы, в том числе, мобильного, переносного и навесного исполнения для сводообрушения, торцевой и неторцевой забивки стержневых элементов, динамического зондирования грунтов, импульсной наземной сейсморазведки малых глубин и другого назначения. Новизна примененных при создании этих систем и их элементов технических решений подтверждена авторскими свидетельствами, патентами на изобретения и полезные модели. Общий вид или конструкции воплощенных на практике изделий, прошедших полевые и производственные испытания, представлены на рисунках 24, 25, 26.

Рисунок 25. Схема взаимного пространственного положения бункера и сводообрушителя (а). Конструкция сводообрушителя с ЛЭМД (повернуто) (б): I - бункер; II - сводообрушитель с ЛЭМД; 1-стенка бункера; 2 - кронштейн; 3-ударник; 4 - накладка; 5 - втулка; 6 - магнитопровод; 7 - буфер; 8 - обмотка ЛЭМД; 9,15 - нижний и верхний направляющие стержни; 10 - якорь; 11-шайба; 12 - направляющий корпус; 13 - магнитопровод; 14 - обмотка электромагнита; 16 - пружина; 17 - гайка

В качестве примера импульсной безударной машины с любым необходимым линейным перемещением выходного штока, представлен шаговый ЛЭМД, предназначенный для установок отжимания сока и других подобных изделий (рисунок 24). Из машин ударного действия стационарного исполнения представлены импульсные побудители истечения для разгрузки бункеров (рисунок 25), где линейный двигатель оснащен вспомогательным электромагнитом подгружения и обеспечиваются дополнительные возможности в управлении механическим движением не только по электрическому, но и по механическому каналу.

а) б)

Рисунок 26. Полевые испытания электромагнитных машин

В таблицу 3 сведены результаты оценки среднего потребления электроэнергии для предотвращения различными устройствами сводообразования муки в бункерах, подтвержденные производственными испытаниями.

Из мобильных, с автономным питанием, рассмотрены переносные частоударные машины с осевым каналом и зажимным механизмом для забивания-выдергивания продольно-неустойчивых стержней и т.п., питаемые от аккумуляторных источников (рисунок 26, а). Для этой машины в таблице 4 приведены сравнения энергозатрат и продолжительности погружения стержневых элементов заданной геометрии традиционными изделиями и созданными импульсными электромагнитными машинами.

Таблица 3

Среднее потребление электрической энергии при разрушении устойчивого свода