Возможные варианты схем, позволяющие реализовать сложное колебательное движение рабочих органов в зависимости от использования развиваемых усилий ЛАД, представлены на рисунке 1. ЛАД, реализующий движение вторичного элемента в двух направлениях - используются силы тяги Fx и сила притяжения Fy (плоский ЛАД, рисунок 1, а). ЛАД, реализующий поступательно-вращательное движение вторичного элемента - используется сила тяги Fx и момент вращения М (цилиндрический ЛАД, рисунок 1, б). ЛАД, реализующий движение вторичного элемента в трех направлениях - используются силы Fх, Fy и поперечная сила Fz ( плоский ЛАД, рисунок 1, в).
В работе приняты четыре модели ЛЭП, реализующие различные виды сложного колебательного движения рабочих органов.
Первая модель ЛЭП реализует продольную силу тяги Fх и притяжения Fу, создается плоским двигателем (рисунок 2). Последний при включении одновременно развивает силу тяги Fх, направленную по оси ОХ и силу притяжения Fу (ось OY), направленную перпендикулярно к силе тяги Fх. Тем самым при работе ЛАД в режиме «вкл.-выкл.», когда вторичный элемент подпружинен в направлениях развиваемых ЛАД сил, рабочий орган будет совершать сложные продольно-поперечные колебания.
Рисунок 1 Схемы, реализующие сложное движение вторичного элемента ЛАД: 1- индуктор; 2 - вторичный элемент
Данный вид сложных колебаний рабочего органа эффективно применить в приводе решетных станов зерноочистительных машин. Наложение на продольное колебательное движение решетного стана зерноочистительной машины, обусловленного силой Fх, колебательного движения под действием силы Fу позволяет повысить ориентирующую способность зернового материала, находящегося на решетном стане, относительно сепарирующих ячеек решет и увеличить суммарную траекторию движения зерна по решету.
Вторая модель ЛЭП, применимая в электроприводе вальцедековых шелушильных машин с целью повышения эффективности шелушения зерна, реализует продольную силу тяги Fх и момент вращения М. Создается цилиндрическим ЛАД со скошенными пазами или совместно цилиндрическим ЛАД и асинхронным двигателем вращения (АД) (рисунок 3). Цилиндрический ЛАД реализует поступательное движение Fх, а двигатель вращения через шлицевое соединение придает вторичному элементу вращательное движение. Таким образом, при работе ЛАД в паре с упругим элементом в режиме «вкл.-выкл.» рабочий орган будет совершать сложное возвратно-поступательно-вращательное движение.
Рисунок 2 Кинематическая схема ЛЭП с двумя развиваемыми усилиями (модель 1): 1 - индуктор; 2 - вторичный элемент; СУ - система управления; ТК - тиристорный коммутатор
Рисунок 3 Кинематическая схема возвратно-поступательно -вращательного ЛЭП (модель 2): 1 - АД; 2 - индуктор ЛАД; 3 - вторичный элемент ЛАД; 4 - упругий элемент; 5 - подшипники скольжения; 6 - шлицевое соединение
На рисунке 4 представлена третья модель ЛЭП, реализующая сложное колебательное движение в трех направлениях: продольная сила тяги Fх, сила притяжения Fу и поперечная сила Fz. Сила Fz проявляется при несимметричном расположении вторичного элемента относительно индуктора ЛАД и стремится «вытолкнуть» вторичный элемент из рабочего зазора. Данный вид движения рабочего органа непосредственно от ЛАД может быть эффективен в таких установках как: зерноочистительные установки; ситовеечные машины; рассева и т.д.
Как частный случай выделяется четвертая модель ЛЭП со сложным движением вторичного элемента, когда вторичный элемент и рабочий орган при работе совершают плоскопараллельное движение относительно друг друга. Это возможно, если вторичный элемент или индуктор установить подвижно и подпружинено относительно рабочего органа. Таким образом, в приводе возникает звено предварительного разгона, которое можно применить для плавного пуска и одновременного накопления «пусковой» энергии, при этом появляется возможность повышения эффективности работы инерционного конвейера. На рисунке 5 показан один из способов реализации звена предварительного разгона ЛЭП.
Рисунок 4 Кинематическая схема ЛЭП с тремя развиваемыми усилиями (модель 3): 1 - основание; 2 - индуктор; 3 - вторичный элемент; 4 - рабочий орган; 5 - блок управления.
Рисунок 5 Кинематическая схема ЛЭП со звеном предварительного разгона (модель 4): 1 - индуктор; 2 - вторичный элемент (звено предварительного разгона); 3 - транспортирующий лоток; 4 - основание
Звено предварительного разгона - вторичный элемент (или индуктор), обеспечивает снижение длительности пусковых токов и динамических нагрузок, а также препятствует проскальзыванию груза в обратном направлении. Это осуществляется за счет того, что при включении ЛАД вся сила прикладывается не сразу к транспортирующему лотку, а постепенно через вторичный элемент (индуктор), который подпружинен относительно лотка. Применение ЛЭП в инерционном конвейере влажного сахара, картофеля и т.д. позволяет исключить промежуточные передаточные механизмы, тем самым снизить ресурсо- и энергозатраты, а звено предварительного разгона обеспечит плавный пуск и тем самым дополнительное повышение эффективности транспортирования и повышение энергоэффективности.
Проведенный анализ приводит к следующим заключениям:
- электродвигатели вращения в приводе колебательного движения приводят к усложнению конструкции привода, ограничению возможности управления параметрами колебаний, снижению эффективности технологического процесса и эксплуатационных характеристик привода;
- ЛЭП за счет непосредственного преобразования электрической энергии в сложное колебательное движение рабочего органа позволит улучшить технологические, энергетические и эксплуатационные характеристики машины, включая протекание переходных процессов в ЛАД;
- технологические машины с ЛЭП, реализующие колебательное движение в нескольких направлениях, являются новыми, следовательно, малоизученными техническими решениями, что является сдерживающим фактором их применения в АПК.
Во второй главе «Математический аппарат для расчета ЛАЭСКД рабочих органов технологических машин АПК» рассмотрен подход к расчету параметров схемы замещения и сил, развиваемых ЛАД в статике и динамике. Приводится математический аппарат, позволяющий описывать совместную работу ЛАД, упругих элементов, системы управления, который позволил бы провести всесторонние исследования ЛАЭСКД с учетом параметров нагрузки.
Показано, что двигатели в ЛАЭСКД относятся к низкоскоростным ЛАД, с учетом этого рассмотрен подход к выбору конструктивных параметров ЛАД по значению электромагнитной добротности, удобный на стадии предпроектных исследований. Определен диапазон параметров ЛАД (синхронная скорость V1 < 10 м/с; число пар полюсов р1>4), для которого предложена методика расчета электромеханических продольной и нормальной сил в статике и динамике по «Т» - образной схеме замещения, а поперечной - полевым методом.
Учитывая особенности ЛАД параметрами схемы замещения, сила тяга Fx может быть определена как:
, (1)
где: I'2 - приведенный ток вторичного элемента, А; R'2 - приведенное активное сопротивление вторичного элемента, Ом; s - скольжение; ф - полюсное деление, м; f 1 - частота сети, Гц; I1 - ток индуктора, А; G - фактор качества.
Нормальная сила ЛАД Fу с односторонним индуктором и составным вторичным элементом состоит из силы притяжения Fуа и силы отталкивания Fуr.
Сила притяжения Fуа между индуктором и магнитопроводом:
, (2)
где: а - половина ширины пакета стали индуктора, м; µ0 - магнитная проницаемость воздуха, Гн/м; д - воздушный зазор, м; Jm-амплитуда линейной нагрузки токового слоя (индуктора), А/м.
Сила отталкивания Fуr между индуктором и вторичным элементом:
, (3)
где: щ1 - 2рf1; d - толщина пластины вторичного элемента, м.
В результате имеем следующую формулу для определения нормальной силы ЛАД:
, (4)
В ЛАД возникает поперечная сила на вторичном элементе Fz, если ее несколько сместить асимметрично индуктору. Эта сила, которая стремится вытолкнуть вторичный элемент из воздушного зазора:
, (5)
где: J2x - плотность тока в обмотке вторичной части, А/м2; Hyr - напряженность магнитного поля, А/м.
В работе для исследования динамики ЛАД выбран метод, заключающийся в описании процессов в двигателе дифференциальными уравнениями, составленными на основе схемы замещения. Общность физических явлений позволяет при выводе уравнения ЛАД взять за основу известную систему дифференциальных уравнений Парка-Горева для двигателя вращательного движения.
Сила тяги c учетом переходных процессов определяется по дифференциальным уравнениям Парка-Горева и имеет следующий вид:
(6)
где: Xs, Xr - значения индуктивного сопротивления рассеяния индуктора и вторичного элемента соответственно, вводимых в модель, Ом;
Xm - сопротивление взаимоиндукции между индуктором и вторичным элементом, Ом;
шX1, шY1, шX2, шY2 - потокосцепления по осям OX, OY соответственно индуктора и вторичного элемента.
Результирующая нормальная сила, развиваемая ЛАД с учетом переходных процессов определяется следующим образом:
(7)
где: ix1, iy1 - составляющие тока индуктора по осям X и Y;
ix2, iy2 - составляющие тока вторичного элемента по осям X и Y;
т - коэффициент рассеяния магнитного потока.
При совершении вторичным элементом сложного движения относительно плоского индуктора ЛАД меняются параметры схемы замещения двигателя. При этом представленный математический аппарат позволяет рассчитать силу тяги Fx и нормальную силу Fy ЛАД как без учета, так и с учетом электромеханических переходных процессов.
Предложены кинематические схемы ЛАЭСКД рабочих органов зерноочистительной машины (рисунок 6), вальцедековой шелушильной машины (рисунок 7), инерционного конвейера (рисунок 8) и других запатентованных устройств, на основе которых разработаны их математические модели. Модели позволяют исследовать работу электропривода технологических машин и определять зависимости изменения параметров сложных колебаний рабочих органов от конструктивных элементов, режима работы ЛЭП, с учетом параметров нагрузки.
Основными уравнениями решетного стана при математическом моделировании являются уравнение динамики колебательного ЛЭП и уравнение движения материальной точки по колеблющейся поверхности (8):
Рисунок 6 Схема действующих на решетный стан и зерновую частицу сил: 1 - решетный стан; 2 - зерновая частица; 3, 4 - упругие элементы; 5 - вторичный элемент ЛАД; 6 - упругая подвеска; 7 - индуктор ЛАД; 8 - блок управления; 9 - датчик включения; 10 - датчик выключения
, (8)
где aрс, Vрс, xрс - соответственно ускорение, скорость и координата перемещения решетного стана по оси OX, м/с2, м/с, м; a'з.х, V'з.х, x'з.х - соответственно ускорение, скорость и координата перемещения зерновой частицы по оси , м/с2, м/с, м; T - время моделирования, с; mз - масса зернового материала, кг; mрс - масса решетного стана, кг; Fkх - суммарная сила сопротивления упругих элементов, подчиняющаяся закону Гука, Н; - сила трения зернового материала о поверхность решетного стана по оси , подчиняющаяся закону Кулона, Н; Fподв.x - сила сопротивления подвесок, Н; - коэффициент трения зерна о поверхность решетного стана; - реакция решетного стана на давление зернового материала, Н; g - ускорение свободного падения, м/с2; aз.х - ускорение зерновой частицы по оси OX, м/с2; б - угол наклона решета к горизонту, °.
Кинематическая схема колебательно-вращательного электропривода (КВЭП) вальцедековой машины представлена на рисунке 7. Привод установки для шелушения зерна позволяет регулировать колебания деки относительно вальца по частоте и амплитуде, в результате чего обеспечивается возможность выбора наилучших параметров для шелушения. Математическая модель возвратно-поступательно-вращательного электропривода вальцедековой машины, включающая АД и ЛАД, с учетом того, что момент и сила, развиваемые ими определяются по уравнениям Парка-Горева (2.13), примет вид:
, (9)
где: v - скорость деки, м/с; л - динамическая вязкость потока зерна, Па•с; kz - коэффициент заполнения зоны шелушения; L - длина деки, м; r - приведенный радиус вальца, м; R - внутренний радиус деки, м.
В формуле 9 параметры схемы замещения со штрихом относятся к АД.
Рисунок 7 Кинематическая схема КВЭП вальцедековой машины: 1 - вал; 2 - валец; 3 - дека; 4 - АД; 5 - ЛАД; 6 - вторичный элемент ЛАД; 7 - упругий элемент; 8 - подшипники скольжения; 9 - подшипники качения.
Сформулированы задачи звена предварительного разгона ЛЭП в инерционном конвейере: - сокращение потерь энергии в обмотках ЛАД за счет уменьшения скольжения; - снижение потерь мощности на обратное проскальзывание транспортируемого груза путем стабилизации силы, действующей на транспортирующий лоток, и накопления избыточной энергии упругими элементами; - повышение полезной мощности транспортирования за счет использования энергии, накопленной звеном предварительного разгона; - снижение пусковых токов.