На рисунке 8 представлена кинематическая схема инерционного конвейера с предварительным разгоном вторичного элемента.
Рисунок 8 Инерционный конвейер с предварительным разгоном вторичного элемента: 1- транспортируемый груз; 2, 7- упоры лотка, 3- лоток транспортирующей поверхностью (рабочий орган), 4, 6, 11- пружины (упругие элементы); 5- опорные ролики; 8- вторичный элемент; 9- направляющие вторичного элемента; 10- индуктор; 12, 13- датчики положения лотка; 14- блок управления; 15- основание.
Перемещение транспортируемого груза 1 происходит за счет его силы инерции при резком торможении лотка пружиной 4.
По рисунку 8 составлены уравнения сил действующих на вторичный элемент, лоток и транспортируемый груз, по которым построена математическая модель их движения с применением кусочно-постоянных функций Хевисайта и(х) и сигнум sign(х). Для описания математической модели приняты следующие системы координат: XOY - неподвижная относительно основания, X?O?Y? - неподвижная относительно лотка 3.
Причем перемещение, скорость, ускорение транспортируемого груза и лотка в этих системах связаны следующим образом:
где: , - перемещение транспортируемого материала и вторичного элемента, соответственно, по оси О'X', м; ,,- перемещение транспортируемого материала, вторичного элемента и лотка, соответственно, по оси ОX, м.
Напряжение питания ЛАД:
, (10)
где: - напряжение источника питания, В; , - координаты датчиков включения и выключения напряжения питания ЛАД, м.
Ускорения транспортирующего лотка, транспортируемого груза и вторичного элемента, соответственно м/с2:
(11)
(12)
, (13)
где: , - масса транспортирующего лотка и вторичного элемента, соответственно, кг; - коэффициент трения транспортируемого груза об поверхность лотка; - ускорение свободного падения, м/с2;
- сила упругого элемента звена предварительного разгона, Н:
(14)
где: - коэффициент жесткости упругого элемента звена предварительного разгона 11, Н/м; - сила предварительного сжатия упругого элемента 11, Н;
- сумма сил упругих элементов 6 и 4 действующих на лоток с учетом координат их расположения и сил их предварительного сжатия и ,Н:
(15)
где: , - коэффициенты жесткости упругих элементов 6 и 4, Н/м; - сила сопротивления опорных роликов лотка, Н:
(16)
где: - сила трения качения роликов, Н; - масса транспортируемого груза, кг; - коэффициент трения качения роликов. - сила трения транспортируемого груза об поверхность лотка, Н:
(17)
- сила трения в направляющих звена предварительного разгона, Н:
где: - сила трения скольжения, Н; - сила, учитывающая ограничение хода вторичного элемента в сторону отрицательного перемещения относительно транспортирующего лотка, Н:
(18)
- сила взаимодействия вторичного элемента и лотка, Н:
- продольная сила, развиваемая ЛАД, подчиняющаяся уравнению электромеханического преобразования энергии Парка-Горева и зависящая от значений подаваемого напряжения U1, скорости вторичного элемента, параметров схемы замещения, полюсного деления и синхронной скорости ЛАД.
Введено понятие коэффициента энергоемкости разгона е транспортируемого груза, как один из критериев оценки эффективности работы инерционного конвейера:
(19)
где: W1 - электрическая энергия, затрачиваемая для передачи кинетической энергии транспортируемому грузу, находящемуся на транспортирующем лотке, Дж; Ek.гр - кинетическая энергия транспортируемого груза, приобретённая за время разгона, Дж.
В третьей главе «Исследования ЛАЭСКД технологических машин математическим моделированием» представлены результаты математического моделирования технологических машин с ЛАЭСКД для послеуборочной обработки продукции растениеводства, полученные в среде объектно-визуального моделирования Matlab (приложение Simulink).
Математический аппарат позволяет исследовать механические характеристики ЛАЭСКД с учетом переходных процессов при изменяющемся воздушном зазоре. Показано, что сила отталкивания Fyr (3) не оказывает существенного влияния в целом на нормальную силу ЛАД (4). Поэтому при расчете нормальной силы ЛАД в низкоскоростном приводе силу отталкивания можно не учитывать.
Для определения влияния воздушного зазора д на нормальную и продольную силы ЛАД, а также на ток индуктора ЛАД построены зависимости FУ = f(д), Fх = f(д) и I = f(д) (рисунок 9). Изменение зазора с 3 мм до 1 мм обусловлено технологическим процессом очистки (амплитуда поперечных колебаний Апопер = 2 мм). Анализ зависимостей показывает, что при изменении зазора с максимального д = 3 мм до рабочего д = 1 мм значение FУ и Fх изменяется не более чем на 33 % от номинальных значений, ток снижается на 17 %.
Временные зависимости нормальной FУ и продольной Fх сил показывают существенную разницу между ними, FУ=(8…10)·Fх.
а б
в
Рисунок 9 - Расчетные зависимости от воздушного зазора: а - поперечной силы FУ; б - продольной силы Fх; в - тока индуктора ЛАД
При построении зависимостей, отражающих влияние конструктивных элементов и режима работы ЛЭП на процесс очистки зернового материала, оценена эффективность работы последнего с учетом траектории движения решетного стана (рисунок 10). Кроме того, известным фактом является то, что объемные массы (натуры) различных культур неодинаковы. Поэтому рассмотрен вопрос о влиянии культуры, а следовательно, и изменения удельной начальной нагрузки на траекторию движения решетного стана.
Полученные траектории свидетельствует о том, что решетный стан осуществляет сложное колебательное движение. При изменении удельной нагрузки q на 0,14 кг/с·м амплитуда продольных колебаний изменилась на 5,5 % от значения Апрод = 14,5 мм, что показывает необходимость поддержания постоянной подачи зернового материала.
Одно из решающих влияний на скорость vмакс. зм, ускорение амакс. зм и характер движения зерновой частицы по поверхности решетного стана оказывает максимальное ускорение колебательного движения решетного стана амакс. рс. Если слой материала на решете небольшой, соизмеримый с толщиной частиц, подлежащих разделению, то для их надежного просеивания достаточно сообщить ускорение амакс. зм, не превышающее значение амакс. зм ? 25 м/с2 (рисунок 11).
Рисунок 10 - Траектория сложного движения решетного стана при изменении удельной нагрузки
а б
Рисунок 11 - Расчетная зависимость максимального ускорения зернового материала (1) и решетного стана (2) от коэффициента жесткости упругих элементов (а) и мощности ЛАД (б)
Анализ зависимостей показывает, что при коэффициенте жесткости С = 1000…4000 Н/м и мощности ЛАД Р ? 720 Вт максимальное ускорение зерновой частицы не превышает значения амакс.зм ? 25 м/с2, что является достаточным условием.
Для оценки энергетических показателей проектируемого ЛАЭСКД решетного стана и необходимой мощности ЛАД построены зависимость мощности ЛАД от коэффициента жесткости P = f(С) и производительности установки P = f(Q) (рисунок 12).
а б
Рисунок 12 - Расчетные зависимости мощности ЛАД от коэффициента жесткости (а) и производительности установки (б)
При увеличении производительности до Q = 1400 кг/ч мощность ЛАД круто возрастает, после чего начинает увеличиваться незначительно. При увеличении коэффициента С мощность ЛАД Р также нелинейно возрастает.
Максимальный энергетический КПД ЛАД, а, следовательно, и разработанного электропривода зерноочистительной машины (ЛАД - это его основной конструктивный элемент) составил зэнерг=0,41.
Получена зависимость изменения линейной скорости движения деки от конструктивно-технологических параметров возвратно-поступательно-вращательного электропривода и обрабатываемого сырья. Выявлено, что изменение частоты и продолжительности включения ЛАД является наиболее эффективным способом регулирования скоростного режима деки вальцедековой машины с точки зрения достижения максимального диапазона регулирования 3:1(рисунок 13).
Рисунок 13 - Влияние частоты и продолжительности включения ЛАД на скоростной режим деки
При анализе отдельно рассматривались скорости движения деки под действием силы ЛАД («вперед») и скорость деки при движении в обратном направлении под действием потенциальной энергии, запасенной в упругом элементе («назад»).
Анализ амплитудно-частотных характеристик КВЭП показывает, что эффективным способом регулирования параметров колебаний деки является изменение продолжительности включения ЛАД. Причем с увеличением частоты изменение продолжительности включения более значительно сказывается на увеличении амплитуды колебаний: при частоте 1 Гц изменение продолжительности включения tи от 55% до 85% приводит к увеличению амплитуды на 3,6 мм. Достоинством разработанного привода является незначительная зависимость параметров колебательного процесса от динамической вязкости потока зерна и коэффициента заполнения зоны шелушения. Это позволяет сделать вывод, что технологические параметры зерна и равномерность подачи не оказывают существенного влияния на эффективность работы машины.
При исследовании процесса разгона подвижного элемента инерционного конвейера получены расчетные временные зависимости перемещений и скоростей (рисунок 14, а и б), по которым можно определить длину участка разгона Хн, необходимую для полной передачи энергии, накопленной звеном предварительного разгона при пуске.
Рисунок 14 - Процесс непрерывного разгона инерционного конвейера с предварительным разгоном вторичного элемента ЛЭП: ХВЭ (VВЭ), ХЛ (VЛ), ХГР (VГР) - перемещение (скорость),соответственно, вторичного элемента, транспортирующего лотка, транспортируемого груза, V0 - синхронная скорость ЛАД; i - ток ЛАД: 1 - без - и 2 - со звеном предварительного разгона
Выявлено, что конструкция привода с предварительным разгоном индуктора ЛАД не обеспечивает необходимую плавность пуска, что объясняется жесткой связью транспортирующего лотка с вторичным элементом, из-за которой усилия переходного процесса передаются от вторичного элемента к транспортирующему лотку и приводят к проскальзыванию транспортируемого материала в обратном направлении.
Данный недостаток отсутствует в конструкции с предварительным разгоном вторичного элемента VЛ = VГР (рисунок 14, б), т.к. связь последнего с транспортирующим лотком посредством упругих элементов обеспечивает сглаживание динамических усилий, воздействующих на вторичный элемент.
Полученные осциллограммы (рисунок 14, в) потребляемого тока индуктором ЛАД подтверждают снижение пусковых токов, как по амплитуде, так и по продолжительности.
Получены зависимости минимальной энергоемкости разгона транспортируемого груза еmin от напряжения U1 питания ЛАД (рисунок 15) и зависимости необходимой длины участка разгона ХН для получения еmin при различной массе вторичного элемента и при его жестком соединении (Жест.) к лотку (рисунок 16).
Рисунок 15 - Расчетная зависимость минимальной энергоемкости еmin разгона транспортируемого груза от напряжения U1 питания ЛАД
Рисунок 16 - Расчетная зависимость необходимой длины участка разгона ХН для достижения минимальной энергоемкости еmin разгона транспортируемого груза
Оказалось, что ХН пропорциональна синхронной скорости ЛАД V0, имеет отрицательную зависимость от начальной скорости транспортирующего лотка Vл.0 (рисунок 17) и положительную - от отношения пускового усилия ЛАД FП к силе предварительно сжатия упругого элемента F0.11 (рисунок 18).
Рисунок 17 - Расчетная зависимость ХН от синхронной скорости ЛАД V0, и начальной скорости транспортирующего лотка Vл.0
Рисунок 18 - Расчетная зависимость ХН от отношения пускового усилия ЛАД FП к силе упругого элемента F0.11
Полученные взаимосвязи в ЛАЭСКД могут быть использованы при его проектировании для технологических машин АПК с высокими технико-экономическими показателями.
В четвертой главе «Разработка и экспериментальные исследования конструкций ЛАЭСКД рабочих органов технологических машин» рассмотрены вопросы экспериментального исследования ЛАЭСКД и технологических машин на их основе. Описаны экспериментальные установки различного целевого назначения, программа и методика экспериментальных исследований, приведены важнейшие результаты исследований.
Разработаны и созданы варианты экспериментальных установок для многостороннего исследования ЛАЭСКД решетного стана (рисунок 19), шелушильной машины (рисунок 20), инерционного конвейера влажного сахара (рисунок 21), бункера-питателя и инерционной картофелесортировальной машины.