CC BY
14УДК 631.22+631.234] :658.286.2-047.44
АНАЛИЗ ВНУТРЕННИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ И ТЕПЛИЧНЫХ ХОЗЯЙСТВ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ
МОДЕРНИЗАЦИИ
А.П. Епифанов, Д.Б. Криль ФГБОУ ВО СПбГАУ, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. В данной статье проведен подробный разбор и анализ внутренней транспортной техники, используемой на животноводческих фермах и тепличных хозяйствах на сегодняшний день. Применение минитракторов приводит к загрязнению окружающей среды, а использование электротягачей сопряжено с высокой стоимостью самого тягача и аккумуляторных батарей. В животноводческих комплексах применение тракторов, помимо загрязнения окружающей среды, приводит к существенному снижению КПД цикла кормораздачи, а также требует неоправданно высоких затрат на топливо. В монорельсовых подвесных кормораздатчиках используется электропривод по схеме «вращающийся асинхронный двигатель-редуктор-ведущие ролики». Такая система имеет низкие энергетические и эксплуатационные показатели. На основе проведенного анализа сделан вывод о перспективности внедрения электропривода на базе линейного асинхронного двигателя в монорельсовых транспортных системах. Такой электропривод избавлен от недостатков, присущих перечисленным видам транспорта и позволяет повысить энергетические и эксплуатационные показатели. Даны рекомендации по оптимальному проектированию низкоскоростных ЛАД.
Ключевые слова: технологический процесс, внутренние транспортные системы, линейный асинхронный двигатель, монорельсовый транспорт.
Введение
Современное сельское хозяйство, особенно в России, стоит перед вызовом экономических и технологических решений. Уровень технологий, используемое оборудование, режимы работы - всё это определяет затраты энергии в конкретном технологическом процессе, что в свою очередь, формирует конечную стоимость выпускаемого продукта на рынке. Данная цена определяет конкурентоспособность предприятия перед другими производителями, а также влияет на его рентабельность.
Поскольку сельское хозяйство призвано обеспечить потребителей качественными и экологически чистыми продуктами, это требует внедрения новой техники и технологий. В целом АПК представляет самый широкий диапазон машин и исполнительных механизмов, отличающихся способами и параметрами перемещения рабочего органа, условиями и режимами работы, механическими и нагрузочными характеристиками.
Для животноводческих ферм и тепличных хозяйств значительная доля трудоёмкости связана с транспортировкой почвы, посадочного материала, уборки урожая и раздачей кормов. Использование тракторов с прицепами приводит к загрязнению воздуха и требует дополнительных площадей. Поэтому применение транспортных средств с электрическим приводом является рациональным.
Внутренний транспорт - часть инфраструктуры хозяйства (теплицы, фермы),
33
предназначенная для транспортировки различных грузов или задействованная в технологическом процессе (перевозка посадочного грунта, плодов, кормораздача).
Цель исследования - анализ существующих внутренних транспортных систем тепличных хозяйств и животноводческих комплексов и поиск возможности их модернизации.
Материалы и методы исследования
В данной статье подробно рассмотрены внутренние транспортные системы теплиц и животноводческих ферм различных хозяйств (отечественных и зарубежных). Собранные данные позволяют количественно и качественно оценить недостатки такого транспорта, проанализировать экономические и энергетические затраты, предложить способы улучшения или доработки таких систем или их замены на принципиально новое оборудование. На основе анализа выявлялись факторы, которые наибольшим образом приводят к снижению энергетических и эксплуатационных показателей различных транспортных систем.
Результаты и обсуждение
В тепличных хозяйствах в основных технологических процессах, связанных с транспортировкой различных грузов: посадочный грунт, контейнеры с распикированными для посадки растениями, ящики с собранными плодами - до сих пор высока удельная доля ручного труда. В первую очередь это связано с узкими и длинными, в зависимости от ширины теплицы, радиальными проходами в междурядьях (рисунок 1а). Для работы в междурядьях, на сегодняшний день, применяются следующие транспортные средства: 1) ручная тележка с вогнутым профилем колес для езды по трубам системы обогрева или водоснабжения (рисунок 2а) или напольного исполнения (рисунок 2б); 2) самоходная тележка (отечественная или зарубежная) с электроприводом (рисунок 2в,); 3) самоходные тележки с регулируемой высотой платформы для работы с высокими растениями: огурцы, помидоры, фасоль (рисунок 2г).
а - узкий радиальный проход междурядий, б - центральный проход теплицы Рисунок 1 - Внутреннее пространство крупных теплиц
Недостатки таких транспортных систем очевидны: 1) низкая производительность труда; 2) в отечественных самоходных тележках используется двигатель постоянного тока с прямой фрикционной передачей момента с вала на ведущее колесо. Это приводит к
быстрому износу приводного резинового ролика. Если привод осуществлен только одного колеса - то ещё и к перекосу тележки во время движения; 3) скорость перемещения не регулируется; 4) низкие показатели полезной работы по отношению к затраченной (низкий КПД) таких систем [1].
Собранные плоды или грунт выносятся в центральный проход (рисунок 1б), где в дальнейшем она транспортируется при помощи мини-трактора с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) или электротягача (рисунок 3). ДВС является источником вредных выбросов, в которых содержатся тяжелые металлы (РЬ, Сё, N1) [2] и парниковые газы (С02 и Н20). В замкнутом пространстве эти выхлопные элементы существенно ухудшают внутреннее экологическое состояние. В теплицах с более развитой инфраструктурой (Агрохолдинг «Выборжец», ООО «Круглый год» г. Пикалево) используются электротягачи с питанием от гелиевых аккумуляторов. К недостаткам данного транспорта относятся: 1) высокая стоимость электротягача - около 800 000 Р или 10650 $[3]; 2) ограниченный жизненный цикл аккумуляторной батареи (количество циклов «заряд-разряд» - до 500 при надлежащих условиях эксплуатации и температуре) [4]; 3) снижение емкости батареи с течением времени; 4) необходим дополнительный обслуживающий персонал.
а - ручная тележка с вогнутым профилем колес для езды по трубам, б - ручная напольная
тележка, в - самоходная тележка, г - самоходная автоматизированная тележка с
изменяемой высотой платформы Рисунок 2 - Внутренний транспорт крупных теплиц для междурядий К общим недостаткам мини-трактора и электротягача относятся: 1) невозможность автоматизации процесса транспортировки; 2) необходимость дополнительного увеличения ширины центрального пролета (до 3,0 ^ 3,5 метров), что является нерациональным использованием площади теплицы, учитывая, что 1 м2требует дополнительных 450 ^ 550 $ [5]; 3) повышенные эксплуатационные расходы на обслуживание и ремонт.
а - мини-трактор, б - электротягач Рисунок 3 - Внутренний транспорт крупных теплиц для центрального прохода
В связи с вышесказанным авторам представляется перспективным внедрение в тепличные хозяйства монорельсовой системы с транспортным модулем и электроприводом на базе линейного асинхронного двигателя (ЛАД), расположенной вдоль центрального прохода теплицы. Такое решение позволяет сократить ширину этого прохода вплоть до 2-х метров. В зависимости от ширины теплицы этих проходов предлагается делать несколько. Это позволит сократить время и усилия для вывоза продукции, грунта и иных грузов из междурядий при их большой радиальной (по отношению к центральному проходу) длине. Над центральным проходом подвешивается монорельсовая балка (двутавр). К его нижней полке присоединяется изотропная проводящая полоса (из А1или Си). На монорельс устанавливаются две тележки, к которым прикрепляют транспортный модуль. Также, на одной из тележек будет расположен индуктор, который представляет собой магнитную систему, набранную из отдельных листов электротехнической стали и трехфазную обмотку, уложенную в пазы этой магнитной системы. Данная транспортная система избавлена от перечисленных выше недостатков. Наряду с этим она обладает следующими преимуществами: 1) тяговое усилие создаётся за счет электромагнитного взаимодействия токов индуктора и вторичного элемента; 2) ЛАД позволяет непосредственно получить линейное перемещение рабочего органа; 3) упрощение кинематической схемы электропривода; 4) повышение надежности системы; 5) исключается возможность пробуксовки (проскальзывания) ведущих роликов; 6) отсутствие вращающихся частей в электроприводе [6,7,8].
Что касается внутреннего транспорта животноводческих ферм, то, в основном, он используется в таких технологических процессах как навозоудаление и кормораздача. В России в 99% случаев для кормораздачи применяется тракторный тягач (трактор с мощностью Р2 = 120 л. с.) и прицепной кормораздатчик (рисунок 4).На крупных фермах -1200 голов, например в ООО «Племзавод «Бугры» в одном цикле кормораздачи участвуют три трактора и два кормораздатчика. Два трактора перемещают кормораздатчики, один трактор загружает в последние требуемые компоненты корма, поскольку кормоприготовление осуществляется в них же. Также два трактора находятся в резерве.
а - прицепной кормораздатчик, б - трактор 1оИпВееге Рисунок 4 - Внутренний транспорт животноводческих ферм Помимо перечисленных выше недостатков крупные тракторные тягачи: 1) обладают высокой начальной стоимостью - от 2 500 000 Р за б/у при 6 000 моточасов работы и от 6 500 000 Р за новый [9]; 2) требуют больших экономических расходов на топливо (дизель) при средней норме 8 литров на 1 моточас при работе всех тракторов в сутки Ьработы = 10 часов; 3) средний КПД для всего цикла кормораздачи довольно низок -около 0,15 ^ 0,2; 4) требуют увеличения ширины центрального прохода Ь > 3,5 м.
Ряд западных стран, таких как Франция, Финляндия, Швеция, Нидерланды, Германия и т.д. для кормораздачи используют подвесные кормораздатчики (кормовагоны), показанные на рисунке 5а и перемещающиеся по монорельсу [10,11 ].Кормоприготовление в таких системах осуществляется в стационарных кормосмесителях, изображенном на рисунке 5б.Сам процесс организован следующим образом: в кормосмеситель 1 засыпают все компоненты корма; далее готовый комбинированный корм (комбикорм) при помощи ленточного транспортера 2 доставляется в бункер кормовагона 3; на кормораздатчике установлены «токовые весы»; по заполнению бункера кормораздатчик автоматически отправляется на раздачу корма, а после опять возвращается на очередную «заправку». И так до окончания.
а - подвесной кормораздатчик, б - стационарный кормосмеситель Рисунок 5 - Технологический процесс кормораздачи Такая система позволяет получить полностью автоматизированную линию кормораздачи и внутреннюю кормокухню. Трактор нужен только один - для доставки компонентов корма (а в некоторых хозяйствах они хранятся рядом в тамбуре) и для навозоудаления, которое производится снаружи теплицы из специальной выгребной ямы. И один трактор для резерва.
Однако следует отметить, что в данной монорельсовой системе используется
классический тип электропривода по схеме «вращающийся асинхронный двигатель -редуктор - ведущие ролики». Для него присущи следующие недостатки: 1) на обеих тележках (полный привод) используются двигатели малой мощности с Р2 = 0,37 кВт и п1 = 1500 об/мин. Они имеют весьма умеренные энергетические показатели; 2) используется трехступенчатый цилиндрический редуктор (2 шт), передача момента с вала двигателя осуществляется посредством цепной передачи (рисунок 6). Это снижает КПД всей системы; 3) сложная кинематическая схема привода; 4) режим работы электродвигателей определяется загрузкой кормораздатчика, причем половину пути двигатели работают в режиме, близком к холостому ходу; 5) скорость перемещения не регулируется; 6) тяговое усилие создается за счет сцепления (трения) ведущих колес с нижней полкой двутавра; 7) повышенный износ ведущих роликов;8) повышенные затраты на эксплуатацию и ремонт оборудования; 9) при исчезновении питающего напряжения транспортный модуль нельзя будет отбуксировать вручную без специального устройства, отделяющего ведущие колеса от редуктора, если используется червячный редуктор; 10) наличие вращающихся частей в электроприводе приводит к возникновению дополнительных потерь, поскольку нам нужно получить прямолинейное перемещение.
Рисунок 6 - Особенности подвесных кормораздатчиков с классическим
электроприводом
Для монорельсовых систем кормораздачи авторам представляется рациональной замена классического электропривода на электропривод на базе линейного асинхронного двигателя (рисунок 7).
а - фронтальная проекция, б - профильный разрез по А-А, 1 - индуктор, 2 -
алюминиевая реактивная полоса, 3 - монорельс (двутавр 20Ш1) Рисунок 7 - Компоновочная схема одностороннего линейного асинхронного двигателя с массивным обратным магнитопроводом
Помимо перечисленных выше преимуществ, следует добавить, что он занимает меньше места, оптимально расположен относительно путевой структуры, эргономично вписывается по отношению ко всей системе. Усовершенствованием является тот факт, что вторичный элемент (аналог ротора вращающегося асинхронного двигателя) интегрирован в сам монорельс, а нижняя полка двутавра, помимо несущей функции, является обратным магнитопроводом, по которому замыкается основной магнитный поток.
Расположение индуктора под монорельсом является научной новизной предлагаемой разработки. Такое решение позволяет разгрузить поддерживающие ролики за счет стремления индуктора, подобно электромагниту, притянуться к нижней полке двутавра, стараясь уменьшить воздушный (а в общем и весь немагнитный) зазор и, вместе с ним, магнитное сопротивление. Количественная оценка данного явления будет приведена в следующей статье.
Скорость линейного перемещения электромагнитного поля, как и у вращающихся асинхронных двигателей, определяется выражением:
"1 = 2
где: т - полюсное деление, /1 - частота питающего напряжения (тока).
г1
а - двухсторонний индуктор (1) и изотропной полосой ВЭ (2), б - односторонний индуктор с обратныммагнитопроводом (3), в - шлицованная реактивная полоса, г - полоса
в виде короткозамкнутой клетки Рисунок 8 - Особенности подвесных кормораздатчиков с классическим
электроприводом
В ЛАД подвижной частью (бегуном) может быть как индуктор, так и реактивная шина (полоса). Скорость линейного перемещения бегуна определяется как:
и2 = VI • (1 -5)(2) 5 = -1—2(3)
VI
где: 8 - скольжение.
Примеры исполнения ЛАД представлены на рисунке 8. В случае с монорельсовой системой имеем исполнение в соответствии с рисунком8б. Полный вариант компоновочной схемы представлен на рисунке 7. Для данного рисунка: индуктор -односторонний с однослойной обмоткой; вторичный элемент - изотропная проводящая полоса (из А1или Си), прикрепленная к обратномумагнитопроводу. При таком исполнении индуктор является подвижным элементом. При подаче на его трехфазную обмотку переменного напряжения, в ней возникнет трехфазный переменный ток. Он, в свою очередь, создаст переменное бегущее магнитное поле. Это приведет к возникновению вихревых индукционных токов в проводящей полосе. Взаимодействие магнитного поля индуктора и магнитного поля индукционных токов приведет к созданию тягового усилия Рх, необходимого для линейного перемещения индуктора вдоль монорельса. Наряду с этим возникнет нормальное усилие Ру, которое стремиться уменьшить воздушный зазор, подобно притяжению якоря электромагнита. Зачастую Ру >> Рх, и как было отмечено выше, при расположении индуктора под монорельсом Ру может быть использована для частичной разгрузки поддерживающих роликов.
Как показано в [6,8,13] сила тяги Рх пропорциональна нормальной составляющей индукции магнитного поля в воздушном зазоре и поперечной составляющей плотности
тока в полосе; Fy пропорциональна, в основном Вд .
Для разработки ЛАД в подобных системах начальными и заданными условиями следует принимать: 1) тяговое усилие Fx, исходя из расчета сил сопротивления движению; 2) скорость перемещения v2; 3) номер двутавра, т.к. от этого будет зависеть ширина индуктора и диаметр поддерживающих роликов; 4) выбор источника питания.
Как следует из (2) регулировать скорость перемещения v2 можно тремя способами: 1) изменение у2 (или изменение s) путем применения полос из различных материалов, либо, при шлицованной полосе, изменением соотношения «стержень/прорезь»; 2) изменением полюсного деления: поскольку нам нужно получить низкую скорость перемещения, то и т тоже следует уменьшать; 3) изменение частоты питающего напряжения Д.
По объективным причинам способ №3 является наиболее рациональным с точки зрения потерь электроэнергии при пуске и установившемся режиме, плавности и диапазона регулирования скорости. Действительно, рост скольжения в диапазоне низких скоростей приводит к увеличению потерь, поскольку: АР2 = Рэм -5(4)
где: Рэм - электромагнитная мощность.
Уменьшение полюсного деления лишь в определенном диапазоне не окажет существенного влияния на тягово-энергетические показатели ЛАД. Также необходимо учитывать, что это приводит к снижению Fx, а значение т = 30 мм является технологическим ограничением трехфазных машин, поскольку зубцы и пазы становятся слишком узкими.
Учитывая все это, наиболее подходящим источником питания для индуктора является стационарный преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения (АИН). Данное устройство позволяет: 1) формировать необходимый скалярный закон
управления, при котором будет соблюдаться — = const, а, следовательно, и Fx ~ const; 2)
А
осуществлять режим усиления магнитного потока за счет I х R - компенсации во всем диапазоне регулирования скорости и поддержки BOOST, работающей при малых частотах (до 15 Гц); 3) автоматизировать технологический процесс[12].
При этом следует учитывать требования электромагнитной совместимости (ЭМС) [14]: устанавливать преобразователь частоты на борту кормораздатчика, применять входные и выходные фильтры для снижения радиопомех.
Питание установки осуществляется по шине электропитания или по гибкому кабелю (проводу) с экранированной оболочкой (оплеткой), размещенному на тросе.
Выводы
По итогам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Применяемые на сегодняшний день внутренние транспортные системы животноводческих комплексов и тепличных хозяйств являются энергозатратными, экономически не оправданными, и, зачастую, экологически вредными
2. В подобных предприятиях монорельсовые транспортные системы являются наиболее перспективными по причинам сокращения рабочих площадей, возможности автоматизации процесса перемещения, снижения эксплуатационных расходов
3. Модернизация монорельсовых транспортных систем путем внедрения линейного асинхронного электропривода является рациональной и экономически обоснованной даже при замене классического типа электропривода по схеме
«вращающийся асинхронный двигатель - редуктор - ведущие ролики» на электропривод по схеме «Преобразователь частоты - линейный асинхронный двигатель»
4. Расположение индуктора под нижней полкой двутавра позволяет частично разгрузить поддерживающие ролики. Такое решение является научной новизной для данной разработки
5. Для оптимального и грамотного проектирования ЛАД в низкоскоростных транспортных системах необходимо учитывать условия, заданные технологическим процессом, конструктивными особенностями монорельсовой структуры, параметрами источника питания.
Список использованных источников:
1. Епифанов А.П. Основы электропривода. - СПб.: Лань. 2008. - 198 с.
2. Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Арабский А.К. Риск загрязнения почв тяжелыми металлами через газопылевые выбросы // Проблемы анализа риска, № 1 (16), 2019, сс. 42-49.
3. Каталог погрузочной техники. Доступно по URL: http://www.kiit.ru/katalog/pogruzochanaya-tekhnika/skladskaya-tekhnika/electrotjagachi-ceny/ (дата обращения 20.12.2020).
4. Эксплуатация гелиевых аккумуляторов. Доступно по URL: https://realsolar.ru/article/blog-akkumbattery/ekspluataciya-gelevyh-
akkumulyatorov/#:~:text=Гелевые%20аккумуляторы%20могут%20храниться%20без,емкост и%20гелевого%20аккумулятора%20от%20времени(дата обращения 20.12.2020).
5. Теплицы и оранжереи. Доступно по URL: http://flowerlib.ru/ (дата обращения 20.12.2020).
6. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей.- Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 180 с.
7. Вольдек А.И. Индукционные магнитодинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. - Л.: Энергия, 1970. - 272 с.
8. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 255 с.
9. Каталог тракторов JohnDeere: новых и б/у. Доступно по URL: https://www.agriaffaires.ra/бу/тракторьI/1/4039/john-deere.html (дата обращения 20.12.2020).
10. Механизированная кормораздача. Доступно по URL: https://docplayer.ru/59219995-Pellon-mehanizirovannaya-kormorazdacha.html (дата обращения 20.12.2020).
11. Альбом по животноводству. Доступно по URL: http://www.agro-kem.ru/images/Catalogues/pdf/Pellon_Goweil_RU.pdf (дата обращения 20.12.2020).
12. Епифанов А.П., Анпилогов И.А., Криль Д.Б. Экспериментальные исследования энергетических характеристик электропривода «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель».// Известия Санкт-Петербургского Государственного Аграрного Университета, 2015, № 42, С. 376-382.
13. Епифанов А.П. Научные основы проектривания тяговых линейных асинхронных двигателей.: Дис.. .докт.техн.наук.- СПб, 1992.
14. Практика приводной техники SEWEURODRIVE. Электромагнитная совместимость (ЭМС) в приводной технике. - СПб. 2002.
А.П. Епифанов, д-р техн. наук; Д.Б. Криль ФГБОУВО СПбГАУ, Санкт-Петербург, Россия
ANALYSIS OF INTERNAL TRANSPORT SYSTEMS OF LIVESTOCK COMPLEXES AND GREENHOUSES AND THE POSSIBILITY OF THEIR MODERNIZATION
Abstract. Annotation. In this article, a detailed and analysis of internal transport equipment used on livestock farms and greenhouses today is carried out. In greenhouses, the share of manual labor is still high. The use of minitractors leads to environmental pollution, and the use of electric tractors is associated with a high cost of the tractor itself and batteries. In livestock complexes, the use of tractors, in addition to environmental pollution, leads to a significant decrease in the efficiency of the feed distribution cycle, and also requires unreasonably high fuel costs. In monorail suspended feeders, an electric drive is used according to the scheme "rotating asynchronous motor-gearbox-driving rollers". Such a system has low energy and operational indicators. Based on the analysis, it is concluded that the introduction of an electric drive based on a linear asynchronous motor in monorail transport systems is promising.Such an electric drive is spared from the disadvantages inherent in the listed types of transport and allows you to increase energy and operational performance.Recommendations for optimal design of low-speed linear asynchronous motors are given.
Keywords:technological process, internal transport systems, linear asynchronous motor, monorail transport.
A.P. EPIFANOV, Dr. tech. sci.; D.B. KRIL FGBOU VO Saint-Petersburg State Agrarian University, Saint-Petersburg, Russia
