РАЗРАБОТКА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ

На правах рукописи

Гильванов Вадим Фанилевич

РАЗРАБОТКА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск - 2012

Работа выполнена на кафедре «Электрические машины и электрооборудование» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ).

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Линенко Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

Андрианова Людмила Прокопьевна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, профессор кафедры «Электроснабжение и применение электрической энергии в сельском хозяйстве»

Овсянников Николай Владимирович

кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение "Агентство по производству и первичной обработке льна и конопли "Лен" (ФГБУ "Агентство "Лен"), начальник

Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» (ФГБОУ ВПО Челябинская ГАА)

Защита состоится «30» марта 2012 года, в 11.00 часов на заседании диссертационного совета КМ220.030.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия" по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 9, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Автореферат разослан 28 февраля 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Картофель относится к одной из важнейших сельскохозяйственных культур, и в России он стал «вторым хлебом», 90 % которого производится в неспециализированных личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйствах.

В настоящее время на сортирование картофеля в хозяйствах приходятся значительные затраты труда из-за низкой механизации и электрификации технологического процесса. Серийное производство машин для сортирования картофеля практически прекратилось вследствие их большой стоимости и низкой надежности работы, что обусловлено большим числом вращающихся и выходящих из строя деталей, поэтому в хозяйствах резко возросла доля ручного труда при сортировании картофеля. Использование устаревшего, изношенного и энергоемкого оборудования не эффективно. Диспаритет цен между сельскохозяйственной продукцией и цен на оборудование и энергоносители требуют совершенствования технологий и технических средств при производстве сельскохозяйственной продукции.

В связи с этим создание машин для сортирования картофеля с высокими технико-экономическими показателями является актуальной задачей.

Тематика работы отвечает «Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ до 2020 года» и соответствует разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 года».

Цель работы: повышение эффективности машины для сортирования картофеля путем разработки автоколебательного линейного асинхронного электропривода.

Задачи исследования:

1. Разработать эффективный автоколебательный линейный асинхронный электропривод машины для сортирования картофеля (АЛЭМСК) с учетом агротехнических требований к картофелесортировальным машинам.

2. Разработать математическую модель АЛЭМСК.

3. Разработать методику физического исследования АЛЭМСК; создать экспериментальный стенд АЛЭМСК и провести ее исследование; проверить адекватность разработанной математической модели.

4. Исследовать влияние параметров АЛЭМСК на характеристику автоколебательного процесса рабочего органа машины и на эффективность сортирования картофеля.

Объект исследования: автоколебательные процессы в приводе машины для сортирования картофеля.

Предмет исследования: закономерности изменения параметров автоколебаний в линейном электроприводе машины для сортирования картофеля в зависимости от ее конструктивных параметров и массы картофеля.

Методы исследований: для исследования поставленных в диссертационной работе задач использованы теория дифференциальных уравнений, теория математического моделирования, метод объектно-визуального моделирования в среде Matlab, метод математической статистики.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- оригинальная конструкция безредукторного АЛЭМСК;

- математическая модель АЛЭМСК;

- результаты теоретических исследований, обосновывающие конструктивные и технологические параметры сортировальной машины;

- результаты исследования экспериментальной машины для сортирования картофеля с автоколебательным линейным асинхронным электроприводом.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

- машина для сортирования картофеля с повышенными технологическими характеристиками на базе безредукторного автоколебательного линейного асинхронного электропривода за счет исключения промежуточных преобразователей вращательного движения в поступательное;

- математическая модель, позволяющая исследовать технологические и электромеханические процессы автоколебательного линейного асинхронного электропривода с учетом конструктивных параметров привода машины и массы картофеля;

- результаты исследования амплитудно-частотной характеристики в зависимости от массы картофеля, напряжения питания, жесткости упругих элементов и закономерности изменения скорости транспортирования и производительности машины от жесткости упругих элементов при различных массах картофеля;

- экспериментально полученные зависимости, отражающие качество сортирования картофеля от скорости рабочего органа, производительность от жесткости упругих элементов при различных массах картофеля, а также амплитудно-частотные характеристики в зависимости от массы картофеля. Новизна технического решения защищена патентом РФ.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что на их основе был разработан и опробован оригинальный АЛЭМСК. Разработанная математическая модель, установленные взаимосвязи могут быть использованы при проектировании машины для сортирования картофеля с автоколебательным линейным электроприводом. Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по построению автоколебательного линейного электропривода. Стенд АЛЭМСК с многоканальной выдачей результатов и их математической обработкой на ЭВМ в современных программных продуктах можно использовать для ее многостороннего физического исследования.

На основе проведенных в рамках диссертационной работы исследований был разработан и принят к внедрению АЛЭМСК в Управлении сельского хозяйства Караидельского района Республики Башкортостан; в СПК "Халилово".

Результаты теоретических и экспериментальных исследований машины для сортирования картофеля на базе автоколебательного линейного электропривода используются в учебном процессе Башкирского ГАУ по дисциплинам: «Электропривод», «Автоматизированный электропривод».

Личный вклад автора. Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований, результаты экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены лично автором. Совместно с научным руководителем, к.т.н., доцентом Линенко А.В. разработана конструкция АЛЭМСК, ее математическая модель и приведены теоретические исследования.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на 7 научно-технических, а также на ежегодных внутривузовских конференциях. В том числе: на II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы» (Уфа, 2008); на XLVIII -й и L -й научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии (Челябинск, 2009г., 2011г.); на Всероссийских научно-практических конференциях в рамках XIX и XX Международной специализированной выставки «Агро Комплекс- 2009» и «Агро Комплекс- 2010» (Уфа); на Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ «Молодежная наука и АПК» (Уфа, 2010);: на Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях» (Ижевская ГСХА, 2011, 1-ое место).

Публикации. По материалам диссертационной работы получено 2 патента РФ, опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературных источников из 123 наименований и 14 приложений. Основное содержание работы изложено на 120 страницах, содержит 57 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность темы, обосновывается цель и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, дается ее общая характеристика.

В первой главе «Современное состояние вопроса и задачи исследования» на основе материалов, представленных в работах В.П. Горячкина, Е.А. Глухих, Н.Н. Колчина, А.И. Каламина, В.А. Макарова, А.А. Сорокина, Н.В. Шабурова, И.А. Гребенюка, П.Н. Волосевича, М.Ю. Васильченко приведены результаты анализа состояния проблемы сортирования картофеля, а также проведен анализ агротехнических требований к машинам для сортировки картофеля.

Проведенный обзор существующих машин для сортирования картофеля показал, что наиболее широкое распространение получил принцип сортирования по размеру. Рабочие органы таких машин делятся на пять групп: плоско-решетные; роликово-валиковые; барабанные; транспортерные и с комбинированным рабочим органом.

По точности сортирования первое место занимают машины плоско-решетного типа – 82…88%, однако таким машинам свойственна несколько большая повреждаемость клубней.

Общим недостатком описанных в главе машин является сложность их конструкции, большое количество трущихся и изнашивающихся поверхностей.

По технико-технологическим показателям основной машиной для сортирования клубней картофеля могут служить машины плоско-решетного типа, но для повышения их технико-экономических показателей требуется замена эксцентрикового привода решет двигателем вращения на линейный асинхронный электропривод. Это позволит за счет непосредственного преобразования электрической энергии в поступательное движение рабочего органа снизить эксплуатационные расходы и себестоимость машины, а также повреждаемость клубней.

Исходя из сказанного сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Разработка конструкции и математической модели автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования картофеля» разработана конструкция машины для сортирования картофеля с автоколебательным линейным электроприводом и ее математическая модель

Машина для сортирования клубней картофеля представлена на рисунке 1 и включает в себя рабочий орган, состоящий из двух жестко соединенных между собой частей с приводом в виде плоского линейного асинхронного электродвигателя (ЛАД). Первая часть машины представляет собой подвижный сплошной лоток 1, на котором жестко закреплены соединенные алюминиевая и стальная пластины, являющиеся вторичным элементом плоского ЛАД. Под пластинами на раме 6 установлен индуктор 2 ЛАД. На лоток 1 подается подлежащий обработке картофель.

Вторая подвижная часть 3 установки выполнена из прутков 4, установленных на определенном состоянии друг от друга. На этом участке происходит доочистка картофеля от мелких примесей и его сортировка: I – участок доочистки, II – участок сортировки (мелкая фракция), III – участок сортировки (средняя фракция), IV – участок сортировки (крупная фракция).

Подвижные части 1 и 3 установлены на роликах 5 таким образом, что по мере перемещения в обоих направлениях ударяются в упругие элементы 7, которые установлены на основании 6. На рисунке 1 упругие элементы показаны только с одной стороны. Сортированный по размеру картофель сходит по направляющим 8.

Машина работает следующим образом. При подаче напряжения блоком управления (на рисунке 1 не показан) на индуктор 2 ЛАД рабочий орган (лотки) вместе с картофелем приходит в поступательное движение в направлении упругих элементов 7. При достижении последних индуктор отключается от сети, рабочий орган ударяется в упругие элементы и резко останавливается, а картофель по инерции движется вперед. За счет накопленной потенциальной энергии упругими элементами 7 рабочий орган движется в обратном направлении, где также взаимодействует с упругими элементами, останавливается и разгоняется в первоначальном направлении. В этот момент индуктор снова подключается к сети, и далее описанный процесс повторяется. Таким образом, рабочий орган машины для сортирования картофеля работает в режиме автоколебаний, а картофель поступательно перемещается на участок сортирования.

При движении по поперечным пруткам 4 (участок I) картофель освобождается от мелких примесей. Далее сквозь продольные прутки проходит мелкая фракция картофеля (участок II), затем средняя (участок III), а оставшаяся крупная фракция поступает на IV участок.

1 – сплошной лоток; 2 – индуктор ЛАД; 3 – лоток из прутков; 4 – прутки; 5- ролик; 6 – основание; 7 – упругие элементы; 8 – направляющие, I – участок очистки, II – участок сортировки (мелкая фракция), III – участок сортировки (средняя фракция), IV – участок сортировки (крупная фракция).

Рисунок 1 - Машина для сортирования клубней картофеля с линейным электроприводом

Математическое моделирование позволяет исследовать все взаимосвязи в приводе с учетом электромеханических переходных процессов, что особенно важно при проектировании привода на базе ЛАД, работающего в режиме автоколебаний.

При разработке модели приняты следующие допущения: сила вязкого трения между роликами и лотками не учитывается, характеристика упругих элементов считается линейной. Моделирование процесса движения картофеля по колеблющейся поверхности лотков проводится при допущениях, общепринятых при решении аналогичных задач: картофель является материальной точкой, между лотками и картофелем присутствует только сила сухого трения, подчиняющаяся закону Кулона, масса картофеля в течение времени моделирования остается постоянной, момент инерции опорных роликов не учитывается.

Основная система уравнений (1) математической модели в соответствии с принятой кинематической схемой (рисунок 2) включает в себя уравнение динамики линейного колебательного асинхронного электропривода и уравнение движения материальной точки по колеблющейся поверхности. Для описания математической модели приняты три системы координат: XOY неподвижна относительно индуктора ЛАД, X1O1Y1 неподвижна относительно лотка, X2O2Y2 движется в пространстве с синхронной скоростью ЛАД.

, (1)

где: aл, Vл, xл и aк, Vк, xк – соответственно ускорения, скорости и координаты перемещения картофеленесущего лотка и картофеля по оси OX, м/с2, м/с, м;

a1к, V1к, x1к – соответственно ускорения, скорости и координаты перемещения картофеля по оси O1X1 м/с2, м/с, м.

T – время моделирования, с;

m = mк + mл - масса картофеленесущего лотка вместе с картофелем, кг;

mг – масса картофеля, кг;

mл - масса картофеленесущего лотка, кг

F – сила тяги ЛАД, определяется с помощью системы уравнений Парка-Горева, Н.

Для описания и исследования работы ЛАД принята за основу система дифференциальных уравнений Парка-Горева для двигателей вращательного движения. При этом принято допущение – не учитываются краевые эффекты, что допустимо для низкоскоростных ЛАД с синхронными скоростями V05м/с, с учетом электромеханических переходных процессов наиболее удобна система координатных осей, движущаяся в пространстве с синхронной скоростью V0 (2):

1-груз; 2-лоток (вторичный элемент ЛАД); 3 -опорный ролик; 4-неподвижный упор; 5-упругий элемент; 6-датчик включения/отключения ЛАД; 7-подвижный упор; 8-блок управления; 9-индуктор ЛАД

Рисунок 2 - Кинематическая схема процесса транспортирования груза по рабочему органу АЛЭМСК

где: UX1, UY1 – напряжение индуктора по осям OX, OY, В; - полюсное деление обмотки ЛАД, м; Xs=X1+Xm, Xr=X2+Xm – значения сопротивлений, вводимых в модель, Ом; R1, X1, R2, X2 – соответственно активное и реактивное сопротивления индуктора и вторичного элемента, приведенные к обмотке индуктора, Ом; Xm – сопротивление взаимоиндукции между индуктором и вторичным элементом, Ом; X1,Y1,X2,Y2 – потокосцепления по осям O2X2, O2Y2 соответственно индуктора и вторичного элемента, Вб; 0 - угловая частота питающей сети, с-1; Fс1 - суммарная сила сопротивления АЛЭМСК, Н.

Включение и выключение индуктора осуществляется по релейному закону в функции координаты вторичного элемента (картофеленесущего лотка).

Fу – сила сопротивления от упругих элементов, согласно закона Гука, Н. (Fу1 – работающих при отключении ЛАД; Fу2 – работающих при включении ЛАД)

Fр – сила трения качения опорных роликов, Н.

F1тр - сила сухого трения картофеля (Н), определяется в соответствии с законом Кулона (3):

- mкgfк при V1к > 0 и mгaл > mкgfк0

- mкgfк0 при V1к = 0 и mкaл = mкgfк0

- mкaл при V1к = 0 и mкaл

F1тр = 0 при V1к = 0 и mкaл = 0, (3)

mкaл при V1к = 0 и mкaл

mкgfк0 при V1к = 0 и mкaл = mкgfк0

mкgfк при V1к mгgfг0

где: fк и fк0 соответственно коэффициенты трения скольжения и покоя картофеля.

Для анализа динамических режимов работы электромеханических систем используется метод визуального моделирования программного пакета Simulink (приложение к Matlab), который позволяет представить разработанную математическую модель машины для сортирования клубней картофеля одним основным окном. Реализованная математическая модель АЛЭМСК в среде визуального моделирования Simulink позволяет исследовать все взаимосвязи в приводе с учетом электромеханических переходных процессов.