Определение оптимальных параметров электропривода планетарного смесителя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Богданов В.С., д-р техн. наук, проф., Семернин А.Н., канд. техн. наук, доц., Анциферов С.И., аспирант, Колесник В.А., инженер

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ПЛАНЕТАРНОГО СМЕСИТЕЛЯ

alexagarkof@mail. ru

Проведен анализ и расчет гидравлического сопротивления концентратора сепарационного воздуха. Приведена формула полного гидравлического сопротивления при различных геометрических размерах концентратора и различных углах наклона отражающих лопаток. Представлены график изменения гидравлического сопротивления в зависимости от скорости входного потока, диаграмма вклада в гидравлическое сопротивление различных слагаемых, график изменения гидравлического сопротивления концентратора в зависимости от диаметра частиц.

Ключевые слова: концентратор, гидравлическое сопротивление, скорость потока, диаметр частиц.

Технология сухих строительных смесей имеет большое значение в развитии мирового рынка строительных материалов. За последние годы сухие строительные смеси заняли устойчивые позиции на рынке отделочных материалов. Основными процессами

технологической цепочки производства сухих строительных смесей, оказывающих

существенное влияние на их эксплуатационные характеристики, являются: подготовка сырьевых компонентов, их дозировка и смешивание [1].

В настоящее время представлено множество вариантов различных смесителей для производства сухих строительных смесей, однако они обладают рядом недостатков, такими как: значительный расход энергии на единицу объема готовой смеси, большой износ месильных органов, трудность чистки и длительный цикл смешения.

Схема работы предлагаемого устройства представлена на рис. 1 [1]. Компоненты для перемешивания поступают в корпус 8 через загрузочное устройство 1. Одновременно с подачей материала включают электродвигатель 3. Вращение от электродвигателя 3 через выходной вал 4 передается кривошипу 5. При этом шестерня 6 перекатывается по зубчатому венцу 7, закрепленному на корпусе 8 смесителя. За счет этого мешалки 9 совершают сложное циклоидальное движение, создавая разность давлений в перемешиваемой среде. После перемешивания смеси производится разгрузка смесителя через устройство 10. Особенность данного смесителя заключается в том, что мешалки 9 выполнены в виде стержней, что существенно уменьшает сопротивление при перемешивании материала, а сложное циклоидальное движение стержней

относительно друг друга создает интенсивное

перемешивание материала за короткий

промежуток времени.

Рис. 1. Схема работы планетарного смесителя

С целью снижения энергозатрат при работе планетарного смесителя необходимо, в первую очередь, правильно подобрать электродвигатель для его работы.

Исходные данные для расчёта электродвигателя планетарного смесителя:

Частота вращения лопастного вала смесителя псм , об / мин ; Радиус чаши г, м ; Диаметр смесительного стержня d, м ; Высота смесительного стержня h, м; Число смесительных стержней г ; Полная сила тяжести массы смеси в чаше Gs, Н; Передаточное число редуктора /;

Дозируемый материал: цементно-песчаная смесь (1:3); Установившаяся скорость смешивания: Ууст, м / с; Скорость в конце участка разгона: V, м / с; Скорость в начале участка торможения: У3,м /с; Ускорение во время пуска: аим /с2; Ускорение во время торможения: а3,м/с2; Время разгона t1, с ; Время равномерного смешива-

ния t2, с; Время торможения с; Время паузы ^ с.

Расчёт мощности и выбор электродвигателя смесителя

Мощность двигателя в смесителях расходуется на вращение смесительных лопастей, на трение смеси о чашу.

Общая расчётная мощность двигателя определяется по формуле:

Noбщ = N + N 2 , (1)

где N1 - мощность необходимая для вращения смесительных стержней, кВт; Ы2 - мощность необходимая для преодоления сил трения смеси о чашу, кВт.

Рассчитаем мощность необходимую для вращения смесительных стержней: к ■ п ■ d ■ h ■ z-ф

N = КВт , (3)

2 1000

где М1 - момент сил трения, возникающих между смесью и дном чаши.

Момент сил трения, возникающих между смесью и дном чаши, рассчитывается по формуле:

2

M! = - • Gs • г • f

(4)

где Gs - полная сила тяжести массы смеси в чаше, Н; г - радиус чаши, м; f - коэффициент трения смеси о металл, f = 0.45. Условия выбора двигателя:

N ндв ~ N общ,

ндв

oP,

(5)

и1ндв = UC

N =

, (2)

200 -л

'мех

где к - коэффициент сопротивления движению

полости в смеси к = 2500Н / м2; п - Число оборотов лопастного вала, об/мин; d-диаметр смесительного стержня, м; h - высота смесительного стержня, м; z - Число смесительных стержней;^ - коэффициент наполнения смесителя, ф = 0,65; Г]мех - механический к.п.д. привода с учётом сил трения в редукторе 7]мех = 0,65 + 0,7 ;

Рассчитаем мощность, необходимую для преодоления сил трения смеси о чашу:

где N

ндв

N

общ

- номинальная мощность двигателя; - общая расчётная мощность двигателя;

U1hÖ6 - напряжение питания электродвигателя; Uc - напряжение питания сети; пндв - номиналь-

ная частота вращения двигателя; no

ориенти-

ровочная частота вращения смесителя.

Вычисление электромеханических параметров электродвигателя выполнено в программе Mathcad [2]. Алгоритм расчета показан на рис. 2.

Калькулятор н

sin cos tan In log n! I

м г V в" TT О х2

х' тт 7 6 9 / lj

4 5 6 х ^ 1 2

3 + := 0 - =

n, У i >■

V в К л Р-

V 5 о % р о

7 и Ф X V ÜJ

А В Г А Е Z

Н в I К л М

N н О п Р I

Т Y ф X Y Й

ffi Mathcad - [Статья.хгисс1]

■,2) Файл Правка Вид Добавить Формат Инструменты Символика Окно Справка

Q-tiB iüv" в >> да в = п то* - щ ts

т |ц ^ | В I U 111 |Е;Е

Normal_-г | ftrial

В 5 [:::] - JS <? £

>ts

Ii (i" _l tb kbi i@ = := = —* fx xf xfy

х"1 M ui 1Г

Расчёт мощности и выбор электродвигателя смсесителя

Исходные данные:

к - 2500 п-120 11 -0.008 И - 0.17 г - 10 - 0.65 т|мея - 0.7 06 - [1.126 г - 02 ! - 0.-5 1-5 »1-0.4 И - 5 (2-60 13- 5 10 - 300 Ыч - 0.2 1.Мощность необходимая для вращения смесительных лопастей: 2-Момент сил трения и Мощность необходимая для преодоления сил трения смеси о чащу

Х2 - = об х 10 1000

-5

2000-niMes 3

Общая расчетная мощность двигателя: 4. Ориентировочная скорость варащения двигателя Паспортные данные двигателя 4А112МА8УЗ:

Nrim - N1 + N2 = 1.SS4 пор — iL-i — 600 Рн - 2200 1ш - 705 п1н - 0.765 cosif - 0.71 р-4 ¿-0.017 Julia* - 2 2

5. Условия выбора двигателя: В соответствии с условием принимаем АД с КЗР ДА 112МА8УЗ Расчёт нагрузочных диаграмм

G. Полное время цикла: 7 Момент инерции системы:

fAi^, 1Лг_ Гтшисл ta-tl + 12+13 + t0= 370 Inp-3-J= 0.051

8. Момент статических сопротивлений 9. Угловое ускорение или замедление на ¡-м уч. Ме :- 0 7 29 8 - 20.86

|380 = 380. г 1 := — = 2 гз-г1=2 г2 - 0

i И,« «ад

7.2 > 1.894, 750 m 600,

Проверка выбранного двигателя по нагреву и перегрузке:

11. Продолжительность включения: ti — "0

Еч

10 Значение момента на залу двигателя в п-й точке диаграммы М, - Мс + Jnp-£ 1 = 20.962 Мп := Мс + Jnp £ 1 = 20.962

tu

12. Эквивалентный момент: |1— о,-

М, - 11с + Jnps2 = 20.86 М5 := Мс - 1пргЗ = 20.758 13. Номинальный момент электродвигателя:

м4 - Мс — Jnp-ö2 - 20.86 Ч. - Мс - Jnp-гЗ = 20.758

(м1)-,1 + (м3)-С + (м/-,з

Мн := 9.55 — = 29.501

1' (11 - (3} + 12

Рис. 2. Алгоритм расчета мощности электродвигателя смесителя

В соответствии свыше заданным условием (5) принимаем АД с КЗР 4А112МА8У3. Расчёт и построение нагрузочных диаграмм

Полное время цикла рассчитывается:

6

^ =У ^ + ч 1

Момент инерции системы, приведенный к валу электродвигателя:

3пр = 3дв + 3ред = 3дв + 2 • 3дв = 3 • 3дв , (6)

где 3дв - момент инерции электродвигателя,

2

кг- м ; 3ред = 2 • 3дв - момент инерции

редуктора, кг- м Момент статического сопротивления рассчитаем по формуле:

Мс = 0,7 • Мн; (7)

Найдём угловое ускорение или замедление электродвигателя на 7-м участке диаграммы:

£, =

Я

(8)

Значение момента на валу двигателя в п-й точке диаграммы определяется из основного уравнения движения привода:

Мп = Мс ± 3пр • е{;

(9)

На основании полученных данных строятся тахограмма и нагрузочная диаграмма рабочей машины (рис. 3).

а

5 10 15 20 25 ЗО

55 60 65 ТО 75 360 370 380

50 55

75 360 370

Рис. 3. Тахограмма и нагрузочная диаграмма двигателя

Проверка выбранного двигателя

Продолжительность включения

рассчитывается следующим образом:

ПВ% = -100%, • t

ц

Так как продолжительность включения получилась не более 25%, значит, электродвигатель работает в повторно-кратковременном режиме работы.

Для проверки выбранного

электродвигателя по нагреву определяется эквивалентный момент с учетом небольшой разницы между начальным и конечным моментами в период разгона и замедления:

МЭКв =

2 2 2 М12 • ^ + М32 • t2 + М52 • ^

Р\Ч + tз )+ t2

(10)

где в=0,33...0,5 - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения

электродвигателей при уменьшении скорости.

Выбранный электродвигатель удовлетворять условию:

Мэкв<Мном,

где Мном -электродвигателя.

Рассчитаем электродвигателя:

номинальный

номинальный

должен

(11)

момент

момент

М,

P

= 9,55--н-,

Проверка двигателя по условию допустимой перегрузки. При пуске асинхронного электродвигателя с

короткозамкнутым ротором необходимо соблюдать условие:

(1,1.1,3) Мдв.тах < 0,9Мкр (12)

где Мдв.тах - максимальное значение момента электродвигателя; Мкр = X •Мном - критический момент электродвигателя; X - перегрузочная способность двигателя.

Из проведенных вычислений (рис. 2) можно сделать вывод, что выбранный двигатель удовлетворяет всем условиям, т.к. МЖв<Мн (21,816 Нм<29,801Нм) и

(1,1... 1,3)Мдв.тах<0,9Мкр (27,3 Н м <59,01 Н-м).

Применение электропривода по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель позволяет автоматизировать процесс смешивания материалов и снизить энергозатраты оборудования. Укрупненная принципиальная схема преобразователя частоты - асинхронный двигатель показана на рис.4.

Рис. 4. Принципиальная схема 11114-АД

Исследование процесса перемешивания

цементно-песчанной смеси при различной скорости вращения электропривода

С целью определения влияния скорости вращения электропривода смесителя на качество перемешивания, были проведены

экспериментальные исследования при различных частотах питающего напряжения и одинаковой степени загрузки емкости смесителя.

Для учета потребляемой электроэнергии и регистрации параметров питающей сети использовался анализатор качества

Результаты :

электроэнергии АР-5. С помощью сита СЛ-200 определялось качество смеси. Электрические параметры записывались в память прибора АР-5 и по интерфейсу RS-232 передавались на компьютер, где обрабатывались с помощью программы Power Vision, которая входит в комплект поставки прибора.

Продолжительность эксперимента: 60 секунд. Загрузка смесительной чаши: 40%. Тип смеси: цементно-песчаная (1:3).

Эксперимент № 1. Подача напряжения

частотой

5 Гц,

загрузка емкости для перемешивания на 40 % от максимального объема.

Таблица 1

Частота напряжения Время смешения, с Результат Энергопотребление, кВт/ч

5 60 Отношение компонентов во взятой пробе смеси 1,5:2 0,0116

n

н

Таблица 2

Основные параметры электрической сети__

Фаза1 Фаза2 ФазаЗ ФазаШ

Напряжение (V) 230 231 231 230

Ток (A) 0,127 0,146 0,133 0,135

Мощность^) 0 1 0 1

ОРЗ.А5М (Energy: Active energy +)

Рис. 5. График энергопотребления приведен при работе на частоте 5 Гц

Эксперимент № 2. Подача напряжения перемешивания на 40 % от максимального частотой 10 Гц, загрузка емкости для объема.

Таблица 3

Частота напряжения Время смешения, с Результат Энергопотребление, кВт/ч

10 60 Отношение компонентов во взятой пробе смеси 2,5:1 0,02036

Таблица 4

Основные параметры электрической сети__

Фаза1 Фаза2 Фаза3 ФазаШ

Напряжение (V) 231 231 232 231

Ток (A) 2,084 1,665 2,042 1,930

Мощность^) 214 182 218 614

ОР31.А5М (Energy: Active energy+)

Рис. 6. График энергопотребления приведен при работе на частоте 10 Гц

Эксперимент № 3. Подача напряжения перемешивания на 40 % от максимального частотой 15 Гц, загрузка емкости для объема.

Таблица 5

Частота напряжения Время смешения, с Результат Энергопотребление, кВт/ч

15 60 Отношение компонентов во взятой пробе смеси 3:1 0,0312

Таблица 6

Основные параметры электрической сети__

Фаза1 Фаза2 Фаза3 ФазаШ

Напряжение (V) 229 229 230 229

Ток (A) 2,031 1,898 2,231 2,053

Мощность^) 206 192 231 629

ОР5.А5М (Energy: Active energy - >

&.0Î1 у ■ V

кол tue ^ь.адт

P.OZS

ыи

Рис. 7. График энергопотребления

Выполненные экспериментальные

исследования показали, что реальная мощность привода отличается от расчетной в 3 раза, так как привод работает на частотах существенно меньше номинальной. Рекомендуется при расчете мощности асинхронных двигателей, устанавливаемых на смесители планетарного типа в формулу 2 ввести поправочный коэффициент р. С учетом поправочного коэффициента р формула расчета мощности 2 двигателя примет вид:

k•n•d•h•z ф

N =-- •р,

1 200•п

г мех

где р - поправочный коэффициент учитывающий работу двигателя на частотах менее 50Гц.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что в целях уменьшения энергозатрат электропривода смесителя, рекомендуется замена расчетного электродвигателя мощностью 2,2 кВт серии 4А90LB8УЗ на менее мощный (0,75 кВт) той же серии, или увеличить объем емкости планетарного смесителя, с целью повышения его производительности.

По итогам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

- при подаче напряжения с частотами 5 Гц и 10 Гц с загрузкой емкости для перемешивания

приведен при работе на частоте 15 Гц

на 40 % от максимального объема установлено недостаточное смешение компонентов смеси.

- при подаче напряжения с частотой от 15 Гц с загрузкой емкости для перемешивания на 40 % от максимального объема и продолжительностью перемешивания 60 секунд, качество смеси соответствует заявленным требованиям.

- при расчете мощности электродвигателя смесителя, работающего на частотах ниже 50 Гц, нужно использовать поправочный коэффициент р.

- в целях уменьшения энергозатрат электропривода, рекомендуется замена расчетного электродвигателя на менее мощный, той же серии или увеличить объем ёмкости планетарного смесителя для повышения его производительности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронов В.П., Несмиянов Н.П., Горшков П.С. Спирально-лопастной противоточный смеситель для производства сухих строительных смесей //Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. №1. С. 66-69.

2. Патент № RU 143424, В0№7/14, Планетарный смеситель/ Анциферов С.И., Богданов В.С., Семернин А.Н., дата публ. 20.07.2014.

3. Электронный ресурс: http://ru.ptc.com/product/mathcad.

Bogdanov V.S., Semernin A.N., Antsiferov S.I., Kolesnik V.A. DETERMINING THE OPTIMAL DRIVE PARAMETERS PLANETARY MIXER

The problems of the development of energy-efficient planetary mixer for mixing the dry mixes. The scheme developed by the planetary mixer and described the principle of operation. Using mathematical package Mathcad, it developed an algorithm to determine the power of the motor of the mixer. The calculation of the electric power produced by the mixer and check the condition of the engine load capacity. According to the results of calculation of selected motor and load prepared chart. The scheme of the drive in frequency converter - induction motor. Experimental studies to determine the level of loading of the mixer and frequency mixing of the material.

Key words: Planetary Mixer, dry mixes, the speed of the electric motor, the power, inverter.