Встроенные электромеханические системы, совмещенные с сельскохозяйственным механизмом

Актуальность темы

Встроенная электромеханическая система (ВЭМС) — это органическое объединение машины-двигателя и машины-орудия и их сращивание. В этом случае электрическая машина становится неотъемлемой частью рабочей машины. Часто для получения низких скоростей или преобразования одного вида движения в другой используются редукторы, цепные, ременные, червячные передачи, эксцентрики, которые увеличивают габариты, массу и стоимость электрооборудования, а также снижают его эксплуатационную надежность. Как указано в работах проф. Свечарника Д. В. масса редуктора составляет до 80% всей массы исполнительного механизма, а размеры редуктора однозначно определяют размеры всего механизма. Кроме того, редуктор вносит люфты, меняет упругий характер сочленений, момент инерции и другие параметры. В мелких фермерских и личных подсобных хозяйствах проблема снижения массогабаритных показателей стоит не менее остро, чем в крупных специализированных хозяйствах. Это связано не только с отсутствием специальных помещений для размещения электрооборудования, но и с его высокой стоимостью. Значительная доля личных подсобных и фермерских хозяйств делает упор на многоцелевое хозяйство, где содержат крупный рогатый скот, свиней, коз, птицу, занимаются растениеводством. Это предопределило разработку электрифицированных рыхлителей ротационного типа, культиваторов, сучкорезов, кормодробилок и т. д. При этом важное значение приобретает снижение габаритов, массы, объема, упрощение кинематической схемы привода сельскохозяйственных машин. В приводе большинства сельскохозяйственных механизмов используются асинхронные двигатели (АД). При этом в большинстве случаев отсутствует квалифицированное обслуживание и ремонт электрооборудования. Поэтому при разработке сельскохозяйственной техники целесообразным является максимальное упрощение конструкции за счет исключения сложных узлов и передаточных звеньев. При решении этой задачи приходится отказываться от традиционных конструкций и применять нестандартные решения, т. е. идти по пути создания специальных электромеханических систем (ЭМС). Одним из возможных вариантов таких систем являются ВЭМС на базе торцевых АД (ТАД), дугостаторных (ДАД) и линейных АД (ЛАД). Важным достоинством этих систем является возможность органического сращивания двигателя с исполнительным механизмом. При этом вращающаяся часть рабочей машины может быть использована в качестве ротора двигателя. Кроме того, имеется возможность создания их конструктивных модификаций. Так, например, конструктивное совмещение ТАД и ДАД, образует торцевой ДАД (ТДАД), совмещение ТАД и ЛАД — торцевой ЛАД (ТЛАД). Возможно и их модульное исполнение (ТДАДМ, ТЛАДМ).

Первые попытки объединения двигателя с исполнительным механизмом относятся к началу XX в., когда был создан магнитофугальный молот, боек которого осуществлял возвратно-поступательное движение под действием бегущего магнитного поля. Дальнейшее развитие безредукторные системы привода нашли в работах инж. Фридкина П. А. Шаровые барабанные мельницы с дугостаторным приводом выпускались Ленинградским металлическим заводом, Таганрогским заводом «Красный котельщик». Бюро безредукторных электроприводов завода «Электросила» занималось разработкой и изготовлением грязевого насоса для нефтяных скважин системы инж. Фридкина П. А. Чимкентским заводом прессов-автоматов был налажен серийный выпуск винтовых прессов с дугостаторным приводом. Разработки по совершенствованию конструкции и применению ВЭМС продолжаются и в настоящее время. Конструкции встраиваемых электродвигателей уникальны, т. к. рабочий орган предписывает двигателю основные конструктивные размеры и характеристики. В этой связи представляет особый интерес применение ВЭМС на базе ТАД, ДАД и ЛАД и их конструктивных модификаций в приводе сельскохозяйственных машин, например, в приводе измельчителя кормов. Сращивание электродвигателя и рабочего органа позволит улучшить технико-экономические показатели сельскохозяйственных механизмов. Применение ЛАД наиболее целесообразно в механизмах возвратно-поступательного движения или в механизмах с большими окружными скоростями. В механизмах с небольшими окружными скоростями целесообразно применение ДАД, т. к. последний позволяет получать необходимые частоты вращения рабочих органов без применения механических передач, что обеспечивается правильным выбором величины центрального угла дуги статора. Применение ТАД возможно при равенстве частот вращения ротора двигателя и ротора рабочей машины.

По сравнению с традиционными АД ТАД имеют ряд преимуществ: меньшая масса и габаритыболее высокая технологичность изготовления за счет упрощения обмоточных работ и применения прогрессивных методов изготовления магнитопроводов, например, методом порошковой металлургииудобство сочленения с исполнительным механизмом и возможность встраивания ротора в рабочий механизмулучшенные условия охлаждения и вентиляцииотносительная простота конструкции и ремонта. ДАД и ЛАД кроме вышеперечисленных достоинств обладают возможностью получения низких (в случае ДАД) или высоких (в случае ЛАД) частот вращения рабочих органов при небольшой полюсности машины без применения механических передачвозможно использование в качестве ротора вращающейся (в случае ДАД), или поступательно движущейся (в случае ЛАД) части рабочей машинывозможностью наращивания мощности за счет модульной компоновкиоблегченными условиями пускаповышенной устойчивостью работы при перегрузках, а мощность ДАД находится в пределах 0,4.0,9 мощности заменяемого им обычного АД.

Наряду с достоинствами ДАД и ЛАД им присущи и недостатки, основными из которых являются невысокие энергетические показатели (КПД, созф), обусловленные наличием границ магнитопровода и массивной конструкцией вторичного элемента (ротора). Однако на настоящий момент разработано большое количество способов повышения энергетических показателей ДАД и ЛАД.

Таким образом, актуальным и заманчивым является возможность применения встроенных электромеханических систем на базе ТАД, ДАД и ЛАД и их конструктивных модификаций в приводе сельскохозяйственных машин, совершенствование их, конструкции за счет совмещения электродвигателя и рабочего органа, разработка математических моделей ВЭМС, их теоретическое и экспериментальное исследования.

Цель работы. Обосновать возможность использования ВЭМС на базе ТАД, ДАД, ЛАД и их конструктивных модификаций (ТДАД, ТЛАД, ТДАДМ, ТЛАДМ) в приводе некоторых сельскохозяйственных механизмовразработка их конструкций с применением предлагаемых ЭМС и их математических моделей, а также провести анализ результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— теоретически обоснован выбор ЭМС встроенной конструкции по классификационным характеристикам;

— проведено исследование массогабаритных показателей ЭМС встроенной конструкции при мощности 1,1.55 кВт и при различных конструктивных исполнениях двигателя;

— получены аналитические выражения для объема ЭМС, объема индуктора ЭМС, отношения механической мощности к массе активных материалов, позволяющие для рассматриваемых электромеханических систем в выбранных пределах изменения параметров определять массогабаритные показатели при любых мощностях, частотах вращения и углах дуги индуктора, не прибегая к сложным расчетам;

— разработаны конструкции измельчителей кормов, нбвизна которых подтверждена патентами и свидетельствами на полезную модель РФ, с применением специальных электродвигателей встроенной конструкции;

— разработаны математические модели для исследования динамических и установившихся процессов в рассматриваемых ЭМС;

— проведен анализ работы торцевого ЛАД модульной конструкции (ТЛАДМ) совместно с измельчителем кормов с помощью математического моделирования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались аналитические, численные и экспериментальные методы исследований. Основной базой для исследований принята фундаментальная теория электромеханического преобразования энергии. Все вычисления и графические построения осуществлялись на ПЭВМ с применением следующих пакетов программ: Grapher v 1.06, Quick & Easy CAD™ v 1.0, AutoCAD ® 2000i, Statistica v 5.5 A, MS Word ®.

Практическая ценность. Выведенные полиномиальные зависимости объема ЭМС, объема индуктора ЭМС от мощности и центрального угла дуги статора позволяют простым способом оценивать объем ВЭМС в заданном диапазоне мощностей при различных конструктивных исполнениях двигателя. Конструктивные решения по объединению электродвигателя и механизма могут быть использованы при разработке измельчителей кормов малой и большой мощности, а разработанные математические модели позволяют исследовать электромеханические процессы в установившихся и переходных режимах.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований дугостаторных и линейных электродвигателей встроенной конструкции и разработанные конструктивные решения для совмещения электродвигателя и рабочих органов механизмов приняты к внедрению лабораторией быта и приусадебных хозяйств сельского населения ВИЭСХ при разработке малогабаритных дробилок зерна, а также использованы ОАО «Корпорация» Агрегат" при разработке специальных приводов и ОАО ПО «ИСКРА» при разработке электромеханического привода газового клапана.

Достоверность и обоснованность результатов исследования. Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается тем, что в работе использована фундаментальная теория электромеханического преобразования энергии, широко применяемая и апробированная другими авторами при исследовании электромеханических преобразователей энергии. Предложенные конструктивные решения измельчителей кормов на базе электродвигателей встроенной конструкции одобрены Российским агентством по патентам и товарным знакам. Результаты теоретических исследований, проведенных на математической модели, достаточно близко совпадают с результатами эксперимента.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференциях РГАЗУ (2000;2002 г. г.), XIIой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока», ЭППТ-2001 с международным участием, г. Екатеринбург, 2001, на кафедре электрооборудования и автоматики Российского государственного аграрного заочного университета (2002 г.), во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (2002 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 работах: 7 статьях, 3 патентах РФ, 3 свидетельствах на полезную модель РФ, 1 рекламно-техническом описании.

На защиту выносятся следующие положения: — обоснование возможности использования ДАД, ЛАД, ТАД встроенной конструкции в приводе измельчителя кормов;

— аналитическое выражение зависимости объема ВЭМС, объема индукторов ВЭМС от мощности при различных конструктивных исполнениях двигателя;

— конструктивные решения по созданию измельчителя кормов на базе ТАД, ДАД, ЛАД встроенной конструкции;

— математические модели электромеханических систем встроенной конструкции на базе ДАД.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе проведенного анализа литературных источников выявлены основные преимущества электромеханических систем встроенной конструкции на базе ТАД, ДАД, ЛАД и их модификаций, которые рекомендуется использовать в приводе некоторых сельскохозяйственных механизмов. Преимуществами электромеханических систем являются: улучшенные массогабаритные показатели, возможность органического сращивания с исполнительным механизмом и использования в качестве ротора вращающихся частей механизма, отсутствие передаточных звеньев, простота конструкции и высокая надежность. Данные электромеханические системы в приводе сельскохозяйственных машин не находят достаточно широкого применения.

2. Проведен анализ возможности использования электромеханических систем встроенной конструкции на базе ТАД, ДАД, ЛАД и их модификаций в приводе различных сельскохозяйственных механизмов.

3. Определен теоретический коэффициент пригодности (Ксх)т двигателя для использования ВЭМС в сельском хозяйстве, который равен: для ДАД -52%- для ЛАД — 28%- для АД — 2,7%- для ТАД — 17,3%. Из полученных процентных выражений (КсХ)т следует, что наиболее пригодными для привода ВЭМС сельскохозяйственных, механизмов являются встраиваемые конструкции с ДАД.

4. Проведено исследование с помощью ЭВМ массогабаритных показателей электромеханических систем встроенной конструкции мощностью 1,1 .55,0 кВт при различных конструктивных исполнениях.

5. Получены аналитические выражения для объема электромеханической системы, объема индуктора электромеханической системы, отношения V механической мощности к массе активных материалов, позволяющие для рассматриваемых электромеханических систем в выбранных пределах изменения параметров определять массогабаритные показатели при любых мощностях, частотах вращения и углах дуги индуктора, не прибегая к сложным расчетам.

6. Разработаны встроенные конструкции электромеханического измельчителя кормов на базе дугостаторного, торцевого, торцевого дугостаторного двигателей, новизна которых подтверждена тремя патентами РФ и тремя свидетельствами на полезную модель РФ, а также конструкция малогабаритной дробилки зерна на базе торцевого линейного двигателя. Разработанные конструкции отличаются высокими технико-экономическими показателями, за счет уменьшения габаритов, исключения механических передач, повышения устойчивости работы и снижения стоимости.

7. Разработана математическая модель электромеханической системы с ДАД, записанная в реальной трехфазной системе координат и математическая модель электромеханической системы с ДАД модульной конструкции с учетом влияния краевых эффектов и конструкции обмотки индуктора.

8. Получены кривые изменения скорости движения и электромагнитного усилия при различных значениях напряжения, несимметрии и параметров ротора ВЭМС с ЛАД в пусковых режимах. Установлено, что увеличение толщины покрытия ротора ВЭМС приводит к увеличению ударного тягового усилия и уменьшению времени пуска, а увеличение массы ротора приводит к увеличению ударного усилия и времени пуска.

9. Установлено, что ударный момент у ВЭМС с ДАД мощностью 1,1 кВт и 5,5 кВт с уменьшением угла дуги статора увеличивается, достигает наибольшего значения и далее начинает плавно снижаться. У ДАД мощностью 1,1 кВт ударный момент достигает наибольшего значения при, а = 252°, а у ДАД мощностью 5,5 кВт уже при, а = 216°, что говорит о необходимости рассмотрения конкретной машины отдельно.

10.Рассмотрено влияние высших гармонических составляющих токов статора (индуктора) и ротора (вторичного элемента) на вращающий момент встроенной электромеханической системы.

И.Выявлена возможность использования высших гармонических составляющих тока для получения пульсирующего вращающего момента в сельскохозяйственных механизмах для дробления и просеивания кормов.

12.Получено аналитическое выражение результирующего вращающего момента с учетом свободных составляющих токов для спектра гармоник от 1- до оо.

13.Разработан экспериментальный образец дробилки зерна Д — Т — Л установленной мощностью 0,54 кВт (вместо применяемого серийного АД мощностью 1,1 кВт) на базе органического объединения ТЛАДМ с рабочим органом дробилки с уменьшенными массогабаритными показателями.

14.Проведены теоретические и экспериментальные исследования опытного образца ЛАД мощностью 0,09 кВт. Построены расчетные и экспериментальные рабочие характеристики ЛАД. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных рабочих характеристик не превышает 10,63%.

15. Для экспериментальной дробилки зерна Д — Т — Л на базе ТЛАДМ встроенной конструкции мощностью 0,54 кВт экономия материалов составляет 6,8 кг за счет исключения станины, подшипниковых щитов, подшипников, вентилятора, кожуха вентилятора, шкивов и кожуха ременной передачи, ремня, ротора двигателя, а габаритный размер уменьшился на 80 мм за счет исключения ременной передачи. Снижение массогабарйтных показателей разработанной конструкции дробилки Д — Т — Л позволяет экономить конструкционные материалы на сумму 90,15 руб. с одной дробилки.

16.Установлено, что наибольший выигрыш по массе меди и стали индукторов ТДАД имеет место при минимально возможном для данной частоты вращения значении центрального угла дуги статора и при минимально возможной полюсности машины. Так, например, у ТДАД мощностью 1,1 кВт при синхронной частоте вращения 1500 мин" 1 наибольший выигрыш по массе меди и стали соответствует а=180°, при 1000 мин'1 — а=120°, при 750 мин" 1 — а=90°. Для ТДАД мощностью 55 кВт все вышеизложенное также справедливо, кроме того, при синхронной частоте вращения 600 мин" 1 наибольший выигрыш имеет место при а=72°, а при 500 мин" 1 — а=60°.

17.Установлено, что у двигателей малой мощности применение ТДАД встроенной конструкции наиболее целесообразно при синхронной частоте вращения 750 мин" 1 (серийные АД малой мощности на более низкие частоты вращения не выпускаются). У двигателей средней мощности выполнение ТДАД встроенной конструкции предпочтительно для всего диапазона частот вращения, но больший выигрыш по массе меди и стали индукторов наблюдается при синхронных частотах вращения 750, 600, 500 мин" 1.