CC BY
229
Линенко А.В.
Linenko A.V.
доктор технических наук, доцент, декан энергетического факультета ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», Россия, г. Уфа
Туктаров М.Ф. ТиЫагау M.F.
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Электрические машины и электрооборудование» ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», Россия, г. Уфа
Камалов Т.И. КатаО Т.1.
аспирант кафедры «Электрические машины и электрооборудование» ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», Россия, г. Уфа
УДК 621-133.33
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТ ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СЛОЖНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН АПК
Электродвигатели вращения в приводе колебательного движения приводят к усложнению конструкции привода, снижению эффективности технологического процесса, ограничению возможности управления параметрами колебаний. В этом направлении успешно находят применение линейные асинхронные двигатели (ЛАД), которые непосредственно электрическую энергию преобразуют в поступательное движение рабочего органа. ЛАД отличается конструктивной простотой, технологичностью изготовления, легкостью монтажа и демонтажа, дешевизной, надежностью и допускает разнообразие конструктивных решений. Совместное применение упругого элемента и ЛАД позволяет реализовать энергетически эффективный электропривод колебательного движения, когда разгон рабочего органа в одну сторону осуществляется под действием электромагнитных сил, развиваемых ЛАД, а в обратном направлении за счет запасенной энергии в упругом элементе. В качестве последнего наибольшее значение имеет цилиндрическая винтовая пружина, обеспечивающая стабильность настройки, сравнительно небольшие габаритные размеры и массы, простая в сборке и выносливая при применении. Благодаря своим конструктивным особенностям ЛАД позволяют обеспечить колебательное движение рабочего органа и сложной формы: возвратно-поступательно-вращательное; возвратно-поступательное с поперечной составляющей колебаний; возвратно-поступательное с вертикальной составляющей колебаний; возвратно-поступательное с поперечной и вертикальной составляющими колебаний, эллипсоидное. Определен диапазон параметров ЛАД в приводе технологической машины АПК со сложным колебательным движением рабочего органа.
При совершении вторичным элементом сложного движения относительно 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. Поперечную силу F стремящуюся вытолкнуть вторичный элемент из воздушного зазора, представляется возможным рассчитать только в статике.
Реализация сложного колебательного движения рабочего органа посредством ЛАД позволяет повысить технико-экономические показатели зерноочистительных, сортировальных, шелушильных машин, а также инерционных конвейеров.
Ключевые слова: электропривод, линейный асинхронный двигатель, колебания, сложное движение, кинематическая схема, модель, сила, упругий элемент, методика расчета, технологическая машина.
THE PRINCIPLES OF CONSTRUCTION AND CALCULATION OF THE LINEAR ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE OF DIFFICULT OSCILLATORY MOTION FOR TECHNOLOGICAL MACHINES IN AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Electric motors of rotation in actuator of oscillatory motion lead to complication of the actuator design, to reducing efficiency of technological process and to limiting the possibility of controlling the parameters of the oscillation. In this direction successfully are used linear asynchronous motors (LAD) which directly convert electric energy into linear motion of the working body. LAD characterized constructive simplicity, manufacturability, ease of assembly and disassembly, cheapness, reliability, and allows for a variety of design solutions. The joint application of the elastic element and LAD allows to realize the energy efficiency of the electric drive of oscillatory motion when acceleration of the working body in one direction is effected by electromagnetic force, developed by LAD, and in the opposite direction due to the stored energy in the elastic element. As the latter the most important is a coil spring that provides stability of adjustment. The features LAD allow to ensure the oscillatory motion of the working body and complex form: reciprocating, rotary; reciprocating oscillation with the transverse component of oscillations; reciprocating with a vertical component of oscillation; reciprocating with transverse and vertical components of oscillations, ellipsoid. The range of parameters in the LAD drive of technological machine in agroindustrial complex with difficult oscillatory motion of the working body is defined.
When the secondary element commits the difficult motion relative to the inductor of LAD, the parameters of the equivalent circuit of the electric drive is changing. At the same time, submitted mathematical device allows to calculate the traction force Fx and normal force Fy of LAD, as the without as taking into account the electromechanical transients processes. The transverse force Fz, which tends to push out the secondary element of the air gap, it seems possible to calculate only in the statics.
The implementation of difficult oscillatory motion of the working body through the LAD allows to increase technical and economic parameters of grain cleaning, sorting, inhusking machines and inertial conveyors.
Key words: electric drive, linear asynchronous drive, oscillations, difficult motion, kinematic scheme, model, force, spring, calculation procedure, technological machines.
В агропромышленном комплексе до 50% асинхронных двигателей вращения применяется для получения возвратно-поступательного перемещения рабочих органов, что связано с необходимостью использования различных преобразователей, которые усложняют и удорожают конструкцию. В связи с этим необходимо разрабатывать новые приводы для технологических машин прямо от электрического двигателя, реализующих возвратно-поступательное движение. Это является одним из приоритетных направлений развития технологического оборудования для сельскохозяйственного производства [1].
В этом аспекте перспективными являются линейные асинхронные двигатели (ЛАД), которые обеспечивают непосредственное преобразование электрической энергии в поступательное перемещение рабочего органа. Работа ЛАД с упругими элементами повысит энергетическую эффективность колебательного электропривода за счет возможности возврата потенциальной энергии, накопленной в упругом элементе, рабочему органу для его обратного движения. В качестве упругих накопителей энергии хорошо показали себя цилиндрические винтовые пружины [2].
Линейные двигатели, благодаря конструктивным отличиям от двигателей вращения, могут реа-
лизовать возвратно-поступательное движение рабочего органа сложной формы. Это открывает новую область для совершенствования технологических машин, особенно в послеуборочной обработке зерна.
На рисунке 1 представлены схемы, реализующие сложное возвратно-поступательное движение рабочих органов в зависимости от использования усилий, развиваемых ЛАД. Плоский ЛАД, в зависимости от конструкции вторичного элемента и его расположения относительно индуктора, может одновременно развивать усилия в трех направлениях: сила тяги Fx; сила притяжения F (имеет и другое название «нормальная сила»); поперечная сила F В этих схемах вторичный элемент ЛАД является и рабочим органом технологической машины.
На основе предложенных схем представлены три модели линейного асинхронного электропривода (ЛЭП), реализующие сложные колебательные движения рабочих органов.
Первая модель (рисунок 2) реализует движение рабочего органа в двух направлениях (задействованы силы Fxи В этом случае, при работе ЛАД в режиме «включен - выключен», рабочий орган совершает сложные продольно-поперечные колебания, при этом вторичный элемент подпружинен в двух направлениях. Такие сложные колебания ра-
бочего органа можно применить в электроприводе решетных станов сортировальных и зерноочистительных машин [3, 4]. Наложение на продольные колебания решетного стана зерноочистительной
машины, обусловленные силой тяги ¥ поперечных колебаний, обусловленных силой притяжения ¥ позволяет повысить ориентирующую способность зернового материала.
&
V
Рис. 1. Схемы, реализующие сложное движение вторичного элемента ЛАД: 1 - индуктор; 2 - вторичный элемент; а - движение вторичного элемента в двух направлениях; б - поступательно-вращательное движение вторичного элемента; в - движение вторичного элемента в трех направлениях
Рис. 2. Схема ЛЭП с двумя развиваемыми усилиями (модель № 1): 1 - индуктор; 2 - вторичный элемент; ТК - тиристорный коммутатор; СУ - система управления
Повысить эффективность шелушения зерна вальцедековыми машинами можно за счет придания вальцу одновременно с вращательным движением и возвратно-поступательного движения (рисунок 3), при этом увеличивается эффективность воздействия на зерно в зоне обработки. В данной схеме задействовано два двигателя: цилиндрический ЛАД и двигатель вращения [5].
Третья модель ЛЭП реализует сложные колебания в трех направлениях под действием продольной силы тяги ¥х, силы притяжения ¥у и поперечной силы ¥г (рисунок 4). При расположении вторичного элемента со смещением относительно оси индуктора ЛАД возникает сила ¥, направленная от индукто-
ра в сторону смещения. Данная модель применима в зерноочистительных и ситовеечных машинах, рассевах [4].
На базе ЛЭП легко реализовать самоуравновешенные конструкции двухстороннего действия. На рисунке 5 представлен один из возможных вариантов, применимый в сортировальных машинах. Под действием силы ¥х ЛАД ветви рабочего органа 4 через рычаги 3 расходятся в противоположных направлениях, а за счет упругих элементов 5 возвращаются в исходное состояние. Применение самоуравновешенных конструкций позволяет снизить вибрацию, износ и энергоемкость машины, а также повысить качество выпускаемой продукции.
Рис. 3. Схема возвратно-поступательно-вращательного ЛЭП (модель № 2): 1 - асинхронный двигатель; 2 - индуктор ЛАД; 3 - вторичный элемент ЛАД; 4 - упругий элемент; 5 - подшипники скольжения; 6 - шлицевое соединение
Рис. 4. Схема ЛЭП с тремя развиваемыми усилиями (модель № 3): 1 - основание; 2 - индуктор; 3 - вторичный элемент; 4 - рабочий орган; 5 - система управления
Рис. 5. Самоуравновешенная конструкция двухстороннего действия с ЛАД: 1 - индуктор ЛАД; 2 - вторичный элемент; 3 - рычаги; 4 - рабочий орган; 5 - упругие элементы; 6 - система управления
ЛАД в линейном асинхронном электроприводе сложного колебательного движения (ЛАЭСКД) относятся к низкоскоростным. На основании этого предложена методика расчета электромеханических продольной и нормальной сил в статике и динамике по «Т»-образной схеме замещения, а поперечной -полевым методом (синхронная скорость V] < 10 м/с; число пар полюсов р >4).
Сила тяги F может быть определена как:
x
р = 3IlR2
3 i?r'2
2srfx
2 sTfx
(1)
где I' - приведенный ток вторичного элемента, А; R'2 - приведенное активное сопротивление вторичного элемента, Ом; 5 - скольжение;- частота сети, Гц; т - полюсное деление, м; 11 - ток индуктора, А; G - фактор качества.
Нормальная сила ЛАД F с односторонним индуктором и составным вторичным элементом может быть определена как:
Мо^т
2 а
тг2 S2(l + s2G2)
1-
V
У
(2)
где а - половина ширины пакета стали индуктора, м; ц - магнитная проницаемость воздуха, Гн/м; 3
- воздушный зазор, м; Jm— амплитуда линейной нагрузки токового слоя (индуктора), А/м.
В ЛАД поперечная сила на вторичном элементе Fz может быть определена как [7]:
Р, = МоФ^^/гхНуг^» (3)
где J2x - плотность тока в обмотке вторичной части, А/м2; Н - напряженность магнитного поля, А/м.
Общность физических явлений позволяет для исследования динамики ЛАД взять за основу известную систему дифференциальных уравнений Парка - Горева для асинхронного двигателя вращения.
С учетом переходных процессов сила тяги опре-X.
деляется как:
3 7UO, г = —
T^VxiYyi -VxiVyi
\
(4)
2 г Х^-Х^ где X, Хг - значения индуктивного сопротивления рассеяния индуктора и вторичного элемента соответственно, Ом; Хт - сопротивление взаимоиндукции между индуктором и вторичным элементом, Ом; У/х\>У/у\>У'х2>У/у2 - потокосцепления по осям ОХ, ОТ соответственно индуктора и вторичного элемента.
Нормальная сила, развиваемая ЛАД, с учетом переходных процессов определяется как:
Fy ~
2 дт
х2
х2
iylhl
r (Vylhl+VJyl),. ч 2
Vxlly2 ~lyllx2)
(5)
где ¡х1 ¡у1 - составляющие тока индуктора по осям X и Т; 1х2 12 - составляющие тока вторичного элемента по осям X и У; д - коэффициент рассеяния магнитного потока.
Представленный математический аппарат позволяет рассчитать силу тяги Fx и нормальную силу ¥у ЛАД как с учетом, так и без учета электромеханических переходных процессов.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Существующие приводы колебательного движения имеют сложную конструкцию и ограничивают возможность регулирования параметров колебаний рабочего органа.
2. Использование ЛАД позволяет существенно упростить привод рабочих органов колебательного движения, а за счет возможности реализации посредством ЛАД сложного колебательного движения рабочего органа можно повысить технологические и эксплуатационные характеристики машин АПК.
3. Для технологических машин с ЛАЭСКД предложена методика расчета электромеханических
продольной ¥ и нормальной ¥ сил ЛАД при изме-
х у
няющемся воздушном зазоре.
Список литературы
1. Гортинский В.В. О техническом уровне и перспективах развития вибрационных машин для зерноперерабатывающей и пищевой промышленности [Текст] / В.В. Гортинский // Машиноведение. -1985. - № 1. - С. 3-7.
2. АиповР.С. Линейные электрические машины и линейные асинхронные электроприводы технологических машин: монография [Текст] / Р.С. Аипов, А.В. Линенко. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2013. - 308 с.
3. Акчурин С.В. Анализ работы привода решетного стана экспериментальной зерноочистительной установки с использованием линейного электродвигателя [Текст] / С.В. Акчурин, А.В. Линенко, М.Ф. Туктаров // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2012. -№ 2 (18). - С. 97-101.
4. Пат. на изобр. № 2446669 РФ; МПК A01F12/44 Сепарирующая машина / Р.С. Аи-пов, С.В. Акчурин, А.В. Линенко, М.Ф. Туктаров [Текст]; заявители и патентообладатели Р.С. Аи-пов, С.В. Акчурин, А.В. Линенко, М.Ф. Туктаров.
- № 2010150378/13. - Заявл. 07.12.2010. - Опубл. 10.04.2012. - Бюл. № 10. - 7 с.
5. Линенко А.В. Безредукторный асинхронный электропривод технологической машины со сложным колебательным движением рабочего органа [Текст] / А.В. Линенко, Я.Д. Осипов // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий / Материалы Всероссийской научно-технической конференции: Т. 1. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2007. - С. 255-259.
6. Пат. на изобр. № 2422348 РФ; МПК B65G27/24 Инерционный конвейер / Р.С. Аипов, С.В. Акчурин, А.В. Линенко, М.Ф. Туктаров [Текст]; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ.
- № 2010110857/11. - Заявл. 22.03.2010 - Опубл. 27.06.2011. - Бюл. № 18. - 5 с.
7. Насар С.А. Линейные тяговые электрические машины [Текст] / С.А. Насар, И. Болдеа. - М.: Транспорт, 1981. - 176 с.
References
1. Gortinskij V.V. O tehnicheskom urovne i perspektivah razvitija vibracionnyh mashin dlja zernopererabatyvajushhej i pishhevoj promyshlennosti
[Tekst] / V.V. Gortinskij // Mashinovedenie. - 1985. -№ 1. - S. 3-7.
2. Aipov R.S. Linejnye jelektricheskie mashiny i linejnye asinhronnye jelektroprivody tehnologicheskih mashin: monografija [Tekst] / R.S. Aipov, A.V. Linenko. - Ufa: Bashkirskij GAU, 2013. - 308 s.
3. Akchurin S.V Analiz raboty privoda reshetnogo stana jeksperimental'noj zernoochistitel'noj ustanovki s ispol'zovaniem linejnogo jelektrodvigatelja [Tekst] / S.V. Akchurin, A.V. Linenko, M.F. Tuktarov // Vestnik Ul'janovskoj GSHA. - 2012. - № 2 (18). - S. 97-101.
4. Pat. na izobr. № 2446669 RF; MPK A01F12/44 Separirujushhaja mashina / R.S. Aipov, S.V. Akchurin, A.V. Linenko, M.F. Tuktarov [Tekst]; zajaviteli i patentoobladateli R. S. Aipov, S. V. Akchurin, A. V. Linenko, M. F. Tuktarov. - № 2010150378/13. - Zajavl. 07.12.2010. - Opubl. 10.04.2012. - Bjul. № 10. - 7 s.
5. Linenko A.V. Bezreduktornyj asinhronnyj jelektroprivod tehnologicheskoj mashiny so slozhnym kolebatel'nym dvizheniem rabochego organa [Tekst] / A.V. Linenko, Ja.D. Osipov // Jelektrotehnologii, jelektroprivod i jelektrooborudovanie predprijatij / Materialy Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj kon-ferencii: T. 1. - Ufa: Izdatel'stvo UGNTU, 2007. - S. 255-259.
6. Pat. na izobr. № 2422348 RF; MPK B65G27/24 Inercionnyj konvejer / R.S. Aipov, S.V. Akchurin, A.V. Linenko, M.F. Tuktarov [Tekst]; zajavitel' i patentoobladatel' Bashkirskij GAU. - № 2010110857/ 11. - Zajavl. 22.03.2010 - Opubl. 27.06.2011. - Bjul. № 18. - 5 s.
7. Nasar S.A. Linejnye tjagovye jelektricheskie mashiny [Tekst] / S.A. Nasar, I. Boldea. - M.: Transport, 1981. - 176 s.
