CC BY
10
УДК 631.362.322
И. П. Попов, В. Г. Чумаков, С. С. Родионов, Д. П. Попов
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ РЕШЕТНОЙ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА»
I. P. Popov, V. G. Chumakov, S. S. Rodionov, D. P. Popov THE RESEARCH RESULTS OF ENERGY SIEVE BY THE GRAIN CLEANERS FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV»
Аннотация: Представлены результаты исследований воздушно-решетной зерноочистительной машины ОЗС-50 в части ее энергопотребления. Показано, что при смещении фазы колебаний любой пары решетных станов на 90о обе пары решетных станов обмениваются кинетической энергией между собой, а не с питающей сетью и вращающимися массами, что нейтрализует реактивную мощность и позволяет снизить полную потребляемую мощность на 14 %.
Ключевые слова: решетный стан; колебания; реактивная мощность; активная мощность; привод.
Abstract: The results of air-and-screen cleaner studies OZS-50 in terms of its energy consumption are presented. It is shown that in case of shifting the phase fluctuations of any pair of sieve boots on 90° both pairs of sieve boots exchange their kinetic energy with each other, but not with the power supply and the rotating masses that neutralizes reactive power and can reduce the total working power on 14 %.
Key words: sieve boot; fluctuations; reacting power; active power; gear system.
S
Игорь Павлович Попов
Igor Pavlovich Popov popov_ip@kurganobl.ru
Владимир Геннадьевич Чумаков
Vladimir Gennadevich Chumakov доктор технических наук, доцент
vgchumakov@mail.ru
Сергей Сергеевич Родионов
Sergey Sergeyevich Rodionov кандидат технических наук, доцент rodses09@mail.ru
Дмитрий Павлович Попов
Dmitry Pavlovich Popov popov_ip@kurganobl.ru
Введение. При линейных колебаниях массивных решетных станов зерноочистительных машин развивается значительная реактивная мощность [1-4]. Использование кинематических схем, при которых фазы колебаний двух решетных станов смещены друг относительно друга на четверть периода колебаний, позволяет нейтрализовать реактивную мощность за счет того, что решетные станы обмениваются кинетической энергией между собой, а не с приводом [5-10]. Экспериментальная проверка соответствующих расчетов проводилась на воздушно-решетной зерноочистительной машине ОЗС-50, кинематическая схема которой приведена на рисунке.
Исполнение блока из четырех уравновешенных решетных станов 1, работающих параллельно и попарно в противофазе, обеспечивает динамическую уравновешенность машины, но не решает проблему нейтрализации реактивных нагрузок привода и питающей сети: моменты на эксцентриковых валах 3 и потребляемая мощность содержат переменные составляющие.
Целью исследований является оценка снижения энергозатрат при смещении фазы колебаний любой пары решетных станов на п/2 рад (90о).
Методика. Основными методами исследования в рамках настоящей работы являются методы математического моделирования и анализа.
1 - решетные станы; 2 - шатуны; 3 - эксцентриковые валы; 4 - цепная передача; 5 - клиноременная передача; 6 - электродвигатель
Рисунок - Кинематическая схема ОЗС-50
Наряду с теоретическими методами исследования проведена экспериментальная проверка расчетов. Смещение фазы колебаний любой пары решетных станов осуществляли соответствующей установкой эксцентриковых валов 3. Оценку механической мощности осуществляли электрическими средствами: так, активную мощность, обусловленную собственно сепарацией и потерями в кинематических парах, измеряли с помощью ваттметра. При этом результаты, полученные для каждой фазы, складывали. Полную мощность находили как сумму произведений измеренных фазных токов и напряжений. В качестве измеренных величин брали усредненные значения для серии повторных экспериментов.
Результаты. Расчетные и измеренные мощности. Мощность, условно подводимая к половине решетного стана, равна
Ро,5 = 0,5 — Р. Пп
(1)
g - ускорение свободного падения, м/с2; I - амплитуда колебаний, м.
Мощность, подводимая к одному решетному стану, равна
Р = 2—Ро,5 = ПР , (3)
Пп Пп
где Пп - КПД цепной передачи.
Мощность, подводимая к нижней паре решетных станов, равна
Р = 2—Р = 2—Р
1 2н ^ 1 1 ^ 3 •
Пп Пп
(4)
Мощность, подводимая к верхней паре решетных станов, равна
Рге =
1
■Р,
п
(5)
Ц
где пп - КПД пары подшипников качения;
Р - мощность, расходуемая на сепарацию на одном решетном стане. В соответствии с [2]
Р = 4п • к (1 - ^ )шг • g • I, (2)
где п - частота колебаний, Гц;
к - динамический коэффициент трения, который определяется опытным путем;
к - коэффициент сыпучести зернового вороха, определяемый опытным путем;
т - масса зернового вороха, кг;
Активная мощность, потребляемая из сети, равна 1
Р =-
Пдв •Пп •Пр
/
" ((Р2 В + Р2 Н )
1
Пдв •Пп •Пр
2 Р
п
-Р + Р
2Н 2Н
Ц
пдв •пп •пр
+1
п
Ц
где Пдв - КПД электродвигателя;
ПР - КПД клиноременной передачи.
1
Пусть к = 0,6; ПДВ = 0,84; пп = 0,99; Пр = 0,95;
Пц = 0,95. В соответствии с (2) Р = 4п • к(1 - ку )т2 • g • I = = 4 • 8 • 0,6(1 -0,3)40 • 9,8 • 7,5 -10-3 « 40 Вт. (7)
Расчетная активная мощность, потребляемая из
сети,
Р = ■
2Р
Пдв •Пп Пр
2 • 40
+1
п
ц
0,84 • 0,994 • 0,95
0,95
+1
214 Вт, (8)
Измеренная активная мощность составила 256 Вт при штатной фазности колебаний (верхняя и нижняя пары решетных станов совершают синфазные колебания) и 258 Вт при относительном развороте эксцентриковых валов на л/2 рад.
Расхождение составило
256 - 214 3 = 256 214100% = 16% . 256
О = 4-
г^лин
2
N
= р2 +о2 =
"V лин ¿--лин
N
лин (п/2)
■■Р,
162 Вт.
Измеренное значение полной электрической мощности при штатной фазности колебаний составило
N(0) = 310 • и0 = 3 • 0,63 • 204 = 365 Вт. (15)
Измеренное значение полной электрической мощности при относительном развороте эксцентриковых валов на л/2 рад составило
Nж/2 = 31п/2 • иж/2 = 3 • 0,51 • 205 = 314 Вт. (16)
Измеренное снижение полной электрической мощности при относительном развороте эксцентриковых валов на п/2 рад составило
N0 - N^2 = 365 - 314 = 51 Вт. (17)
Относительное снижение полной измеренной электрической мощности при относительном развороте эксцентриковых валов на п/2 рад равно
N - N 51
3= 0 п 100% = ——100% «14% . (18)
N
365
(9)
Активная мощность линейных колебаний равна 4 Р 4•40
р = 162 Вт. (10)
лин Пп 0,99 ^ }
Реактивная мощность линейных колебаний при штатной фазности колебаний в соответствии с [2] равна
12 (т + ку • т2)сС
Реактивная мощность решетных станов принуждает вращающиеся массы совершать крутильные колебания. Несмотря на то, что механическая характеристика асинхронного двигателя является жесткой, вращение валов, шкивов, звездочек и движение цепи является неравномерным за счет проскальзывания в клиноременной передаче и люфта в цепной. При этом значительная часть реактивной мощности решетных станов передается не сети, а вращающимся массам.
При неравномерности вращения, равной
„ (7,5)210-6(80 + 0,3 • 40)23п383
= 4^-*---'--«1314 Вт. (11)
2
Полная мощность линейных колебаний при штатной фазности колебаний в соответствии с [3; 4] равна
к _ Стах Стт
(Стах + Стп )/ 2
(19)
отклонение циклической частоты вращения от среднего значения ю составляет
лин ( 0 )
= л/1622 +13142 «1324 Вт. (12)
Полная расчетная мощность линейных колебаний при относительном развороте эксцентриковых валов на п/2 рад в соответствии с [5-10] равна
С
л кн
Ас = — с, 2
к
а+Аа = а+—с = 2
/
к
л
1+
2
V У
(20)
С. (21)
Средняя кинетическая энергия равна
1 С
Е = ■
(13)
2
(22)
Снижение полной расчетной мощности линейных колебаний при относительном развороте эксцентриковых валов на п/2 рад составляет
Nлин (0) - NлUн п )= 1324 -162 = 1162 Вт. (14)
Максимум кинетической энергии равен
1 1 + -
1 С
Е = тах = У
к,.
С
2
2
(23)
Реактивная энергия, поглощаемая вращающейся массой
1
1
2
/
J
ЛЕ = Е„
J œ2Î
Е
к.
\
1 +
2
V_z
ю
J О
2
2
к к2 2 ^ + ^ 2 4
v у
к
J • ю
2
(24)
Рассчитаем в соответствии с [1; 2] максимум кинетической энергии решетного стана
W„„, =
l2 (m + к • mz )со2 2
(25)
Примем для воздушно-решетной зерноочистительной машины ОЗС-50 l = 7,5-10-3 м; m = 80 кг; m = 40 кг; к = 0,3; « = 8 Гц; (ю = 2nn).
W„
(7,5)2 • 10-б • (80 + 0,3 • 40) • 22п2 • 82
2
б, 5 Дж .
(2б)
Диаметр шкива й = 0,2 м; масса шкива тш = 1 кг; неравномерность вращения кн = 0,1. Тогда энергия, поглощаемая шкивом, равна
ЛЕ = к,
J • О
2
= к,
тШ • d2 • 4п2 • n2
16
m 1 0,22п2 • 82 Д
= 0,1-« 0,63 Дж .
4
(27)
При кн = 0,1 один только шкив принимает на себя около 10 % кинетической энергии решетного стана.
Крутильные колебания вращающихся масс поглощают значительную часть реактивной мощности линейных колебаний решетных станов, что является причиной расхождения фактически измеренной мощности с расчетной при условии равномерного вращения приводных валов.
Очевидно, что при исключении проскальзывания в клиноременной передаче и люфта в цепной, т. е. при кн = 0 вращающиеся массы не могут потреблять реактивную мощность.
Выводы. Таким образом, при относительном развороте приводных валов воздушно-решетной зерноочистительной машины 0ЗС-50 на п/2 рад решетные станы обмениваются кинетической энергией между собой, а не с питающей сетью и вращающимися массами, что нейтрализует реактивную мощность и позволяет снизить полную потребляемую мощность на 14 %.
Список литературы
1 Инерционная мощность решетной зерноочистительной машины / И. П. Попов [и др.] // Вестник Курганской ГСХА. - 2015. - № 3 (15). - С. 77-79.
2 Попов И. П., Чумаков В.Г., Терентьев А.Д. Редукция мощности привода решетных сортировальных машин // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2015. - № 2 (219).
- С. 175-181.
3 Комплексная мощность решетных зерноочистительных машин / И. П. Попов [и др.] // Известия Горского государственного аграрного университета.
- 2015. - Выпуск 71. - С. 130-134.
4 Попов И. П. Особенности определения механической мощности при колебательных технологических процессах // Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании : материалы VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Тюмень : Тюм-ГНГУ. - 2015. - С. 115-118.
5 Popov I. P. Free harmonie oscillations in systems with homogeneous elements // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. - 2012. - Vol. 76. - Iss. 4.
- P. 393-395.
6 Попов И. П. Колебательные системы, состоящие только из инертных или только упругих элементов, и возникновение в них свободных гармонических колебаний // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. - 2013.
- № 1 (21). - С. 95-103.
7 Попов И. П., Шамарин Е. О. Свободные механические гармонические колебания со смещенными фазами // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2013. - № 2 (29). - С. 39-48.
8 Попов И. П. Механические колебательные системы, состоящие только из однородных элементов, и возникновение в них свободных гармонических колебаний // Омский научный вестник. Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 3 (113).
- С. 177-179.
9 Решетный стан зерноочистительной машины / И. П. Попов [и др.] // Сельский механизатор. - 2015.
- № 4. - С. 8, 9.
10 Попов И. П., Чумаков В. Г., Чикун А. В. Самонейтрализация механических инертных реактансов основной гармоники в решетных станах // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 4 (28). - С. 170-174.
2
