CC BY
41
Повышение энергоэффективности линейного асинхронного электропривода решётного стана зерноочистительной машины
A.В. Линенко, д.т.н, профессор, М.Ф. Туктаров, к.т.н.,
B.Г. Байназаров, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ; А.А. Сорокин, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
В настоящее время во многих исследованиях большое внимание уделяется совершенствованию конструкций приводов зерноочистительных машин для повышения технико-экономических и энергетических показателей работы последних [1—5].
Одним из путей повышения энергоэффективности привода рабочих органов решётных зерноочистительных машин является применение линейного асинхронного двигателя (ЛАД), позволяющего преобразовывать электрическую энергию непосредственно в колебательное движение рабочего органа. В этом случае происходит слияние элементов ЛАД и решётного стана, что исключает использование каких-либо приводных механизмов. Установка упругих элементов в подвижной части ЛАД позволяет реализовать энергоэффективный электропривод колебательного движения, при этом поступательное движение осуществляется под действием электромагнитного поля ЛАД, а обратное — за счёт запасённой потенциальной энергии в упругих элементах. Поэтому для реализации колебательного движения вторичного элемента ЛАД, а следовательно, и решётного стана, необходимо обеспечить периодичность подключения ЛАД к источнику питания.
Цель исследования — повышение энергоэффективности линейного асинхронного электропривода решётного стана зерноочистительной машины.
Материал и методы исследования. В процессе работы электропривода зерноочистительной машины на основе плоского ЛАД (один из видов ЛАД) решётный стан совершает колебательное движение по сложной траектории за счёт одновременного возникновения в ЛАД двух перпендикулярных друг к другу сил (сила тяги F и сила притяжения Fu), что в результате благоприятно влияет на ориентирующую способность зернового материала, находящегося на решётном стане [1, 3, 6].
Отсутствие каких-либо приводных механизмов в линейном асинхронном электроприводе решётного стана (ЛАЭП РС), за исключением самого ЛАД, приводит к появлению недостатка, заключающегося во влиянии на параметры колебательного движения решётного стана (максимальное ускорение РС а и перемещение x) изменения удельной нагрузки на решето q. Изменение параметров колебательного движения РС приводит к изменению эффективности сепарирования зерна [3, 6].
Вышеуказанная проблема решается путём использования системы управления ЛАЭП РС,
позволяющей в динамическом режиме самостоятельно анализировать и принимать решение по управлению электроприводом для поддержания с достаточной точностью заданного значения максимального ускорения РС а>10 м/с2 [2]. Между тем при работе ЛАД в автоколебательном режиме (рис. 1), характеризующегося постоянной работой ЛАД в режиме противовключений из-за малой амплитуды колебания А решётного стана и сообщаемого ускорения а, наблюдается перегрев обмоток индуктора ЛАД (температура свыше
1 = 105°С). Данный факт сопровождается большим потреблением электроэнергии и сокращением эксплуатационного срока службы ЛАД, что в свою очередь является сдерживающим фактором достижения высоких показателей энергоэффективности ЛАЭП зерноочистительной машины [7].
Из-за необходимости применения микроконтроллера (МК) для аппаратной реализации вышеописанной системы управления ЛАЭП РС появляется возможность решения проблемы с перегревом обмоток индуктора ЛАД за счёт использования импульсного режима работы электропривода зерноочистительной машины, при котором индуктор ЛАД подключается на короткий интервал времени к источнику питания в момент прекращения движения РС в одном из направлений движений [3, 6]. На рисунке 2 представлена предлагаемая функциональная схема импульсного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины.
Для подтверждения предложенной на рисунке
2 функциональной схемы импульсного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины предложено провести экспериментальные исследования на семяочистителе МВР-2 (СУ-0,1) с использованием блока управления линейного электропривода, собранного с применением современных
Рис. 1 - Функциональная схема автоколебательного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины:
СК - симисторный коммутатор; УУ - устройство управления; ДП - аналоговый датчик положения Нск - периодический сигнал, питающий ЛАД Х - перемещение вторичного элемента ЛАД х - перемещение РС; Н - сигнал, управляющий СК
Рис. 2 - Функциональная схема импульсного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины:
СК - симисторный коммутатор; ЦДП - цифровой датчик положения; ЦДУ - цифровой датчик ускорения; Нск - периодический сигнал, питающий ЛАД; Х - перемещение вторичного элемента ЛАД; А, х - соответственно ускорение и перемещение РС; Н - сигнал, управляющий СК
электронных компонентов [8]. В модернизированном семяочистителе совокупная площадь решёт остаётся неизменной.
Результаты исследования. По полученным результатам экспериментального исследования построены зависимости мощности ЛАД Р от коэффициента жёсткости упругих элементов Р =/(С!) при неизменной амплитуде А колебаний, длительности ?длит подключённого состояния ЛАД к источнику питания, частоте колебаний РС /колрс. и сохранении траектории сложного движения решётного стана.
Согласно приведённой зависимости Р =/(С;) на рисунке 3 при увеличении коэффициента С! потребляемая ЛАД мощность Р возрастает и при установке на семяочиститель линейного асинхронного двигателя. При этом потребляемая мощность составляет Р = 600 Вт, коэффициент жёсткости упругих элементов — С1 = 700 Н/м (при С1 = 700 Н/м достигается максимальный КПД линейного электродвигателя).
На рисунке 4 представлена экспериментальная зависимость мощности ЛАД Р от производительности 0 семяочистителя Р =/(0). Зависимость Р =/(0) позволяет оценить мощность ЛАД, необходимую для вновь проектируемого ЛАЭП решётного стана зерноочистительной машины. Согласно зависимости Р =/(0) при потребляемой мощности ЛАД Р =600 Вт производительность семяочистителя составила 0 = 726 кг/ч, производительность серийного семяочистителя МВР-2 (СУ-0,1) - 0=500 кг/ч (пшеница).
Для оценки энергетического КПД при импульсном режиме работы ЛАЭП РС по результатам экспериментального исследования построены зависимости энергетического КПД линейного электродвигателя ^энерг от удельной нагрузки на решето ^ при разных значениях коэффициента жёсткости упругих элементов ^энерг= /С1) для автоколебательного и импульсного режимов (рис. 5). Энергетический КПД является произведением еоБф = 0,75 (за счёт компенсации реактивной мощности) и КПД линейного электродвигателя. КПД линейного электродвигателя ^ЛАд определяется как соотношение интегралов приобретённой системой механической энергии Е на потребляемую электроэнергию Ж за один период (т) колебания решётного стана: т
1" Е
^ЛАД
Ж
По представленным зависимостям на рисунке 5 видно, что максимальный энергетический КПД ^энерг при импульсном режиме работы ЛАЭП РС семяочистителя ^энерг=0,54, а в случае работы последнего в автоколебательном режиме энергетический КПД ^энерг=0,43.
С целью экспериментального подтверждения выдвинутой гипотезы о возможности решения проблемы с перегревом обмоток индуктора ЛАД проведено испытание на нагревание (рис. 6) одного из изготовленных ЛАД (Р = 600 Вт) в соответствии с
Коэффициент жесткости упругих
Рис. 3 - Зависимость мощности ЛАД от коэффициента жёсткости упругих элементов Р =/(С1)
117
Рис. 4 - Зависимость мощности ЛАД от производительности семяочистительной машины Р =/(0)
Рис. 5 - Зависимость энергетического КПД от удельной нагрузки при разных значениях коэффициента жёсткости Цэнерг=/^, С1):
1, 4 - при коэффициенте жёсткости упругих элементов С1 = 700-Н/м; 2, 3 - при коэффициенте жёсткости упругих элементов С1 = 800-Н/м.
Рис. 6 - Кривые нагрева ЛАД зерноочистительной машины:
1, 3 - при частоте включения ЛАД н = 3 Гц; 2, 4 - при частоте включения ЛАД н = 2 Гц
ГОСТом 1ЕС 60034-1-2014 «Машины электрические вращающиеся. Часть 1. Номинальные значения параметров и эксплуатационные характеристики». Обмотки линейного электродвигателя соответствуют классу изоляции А (допустимая температура нагрева составляет Т=105°С).
Анализируя полученные кривые нагрева ЛАД зерноочистительной машины, можно сделать заключение о том, что при частоте включения ЛАД, работающего в автоколебательном режиме, V=2-3 Гц и его охлаждении естественным способом, после 1 = 40 мин. е момента начала измерения температура обмоток линейного электродвигателя достигает Т=110°С (V = 2 Гц) и Т = 123°С (V = 3 Гц). В импульсном режиме температура обмоток электродвигателя составляет Т = 64°С (V = 2 Гц) и Т = 76°С (V = 3 Гц). После часа работы ЛАД в автоколебательном режиме температура обмоток электродвигателя повышается до Т=112°С (V = 2 Гц) и Т=128°С (V = 3 Гц), что превышает допустимую температуру нагрева обмоток ЛАД. В импульсном же режиме работы температура повышается только до Т=72°С (V=2 Гц) и Т=81°С (V=3 Гц).
Выводы.
1. Сравнительное исследование нагрева обмоток ЛАД между двумя режимами работы ЛАЭП РС показало, что при импульсном режиме работы электропривода РС обмотка ЛАД нагревается через час до Т = 72°С (V = 2 Гц) и Т = 81°С (V = 3 Гц), при автоколебательном режиме — до Т=112°С (V = 2 Гц) и Т=128°С (V = 3 Гц), что говорит о том, что первый режим удовлетворяет, второй - не удовлетворяет условию нагрева обмоток ЛАД не выше допустимого значения, равного Т=105°С.
2. Установлено, что при использовании импульсного режима работы ЛАЭП РС максимальный энергетический КПД ^энерг=0,54. При автоколебательном режиме максимальный энергетический КПД w=0,43.
3. При использовании импульсного режима повышается энергоэффективность ЛАЭП РС зерноочистительной машины.
Литература
1. Аипов Р.С., Акчурин С.В., Пугачев В.В. Математическая модель вибропривода с линейным асинхронным двигателем // Электротехнические и информационные системы. 2015. № 1. Т. 1. С. 58-63.
2. Аипов Р.С., Кафиев И.Р. К вопросу о надёжности электроприводов сельскохозяйственных машин // Матер. Меж-дунар. науч.-практич. конф. в рамках XXVI Междунар. спе-циализир. выставки «Агрокомплекс-2016». Уфа: Башкирский ГАУ, 2015. С. 3-6.
3. Аипов Р.С. Электропривод // Конспект лекций. Уфа: Башкирский ГАУ, 2011. С. 3-6.
4. Линенко А.В., Акчурин С.В., Туктаров М.Ф. Энергетические показатели линейного электропривода решётного стана зерноочистительной машины // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. № 1. С. 28-32.
5. Туктаров М.Ф. Электропривод решётного стана зерноочистительной машины на базе плоского линейного асинхронного электродвигателя : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2013. 22 с.
6. Линенко А.В., Туктаров М.Ф., Байназаров В.Г. Анализ импульсного режима работы линейного электропривода зерноочистительной машины // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 3 (39). С. 148-153.
7. Юхин Д.П., Бакуров А.М., Сахаутдинов И.И. Энергоэффективный агротуристический комплекс // Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий: матер. междунар. науч.-практич. конф., провод. в рамках XIV Российского энергетического форума. Уфа: Башкирский ГАУ, 2014. С. 76-81.
8. Кафиев И.Р., Романов П.С., Романова И.П. К вопросу нечёткого управления электроприводами сельскохозяйственных интеллектуальных роботов // Российский электронный научный журнал. Уфа: Башкирский ГАУ. URL: http:// http://journal.bsau.ru/numbe4-2017.php. (Дата обращения:13.03.2018).
Обоснование параметров рабочего органа для щелевания почвы
ММ Константинов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; В.Г. Кушнир, д.т.н., профессор, Н.В. Гаври-лов, к.т.н, Н.Х. Елеусизов, магистрант, Костанайский ГУ
Особенностью работы щелерезных рабочих органов является то, что в зависимости от его параметров, состояния почвы процесс обработки может представлять как отделение стружки, так и смятие - вдавливание почвы в стенки щели. Совершенствованию процессов обработки почвы посвящено достаточно много работ [1—5].
Материал и методы исследования. Оптимизацию параметров щелерезного рабочего органа выполняли в соответствии с агротехническими требованиями обработки почвы при глубине, равной 0,25 м. Толщина ножа в щелевателе должна быть такой, чтобы обеспечивалась наилучшая форма прорезаемой щели при минимальном тяговом со-
противлении. Так как нарезка щелей производится друг от друга на расстоянии не менее 1,0—1,4 м, то никакого взаимного влияния геометрические и кинематические параметры рабочих органов друг на друга не оказывают.
Форму лобовой поверхности щелереза принимали с учётом следующих условий: угол заострения ножа должен обеспечивать минимальную силу на вертикальное перемещение пласта поверхностного слоя, сползание растительных остатков — с фронтальной поверхности.
Важным показателем, влияющим на работу щелевателя, является угол установки рнж ножа-щелереза. Угол рнж должен обеспечивать агротехническое качество работы и наименьшее сопротивление перемещению.
Экспериментальное исследование проводили с целью проверки основных положений теоре-
