Научная статья на тему 'Самонейтрализация механических инертных реактансов основной гармоники в решетных станах'

Самонейтрализация механических инертных реактансов основной гармоники в решетных станах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
130
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕШЕТНЫЙ СТАН / МЕХАНИЧЕСКИЙ ИНЕРТНЫЙ РЕАКТАНС / ПРИВОД / КОЛЕБАНИЯ / БИЕНИЯ / МОМЕНТ / ГАРМОНИКА / SIEVE BOOT / MECHANICAL INERT REACTANT / DRIVE / OSCILLATIONS / BEATS / MOMENT / HARMONIC

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Попов Игорь Павлович, Чумаков Владимир Геннадьевич, Чикун Анатолий Васильевич

Рассмотрена динамика решет решетного стана зерноочистительной машины для главной гармоники. Показано, что реакция решет как инертных тел при возвратно-поступательных колебаниях, проявляющаяся в силовом воздействии на привод решетных станов, обусловлена их механическими инертными реактансами, отрицательное влияние которых заключается в возникновении знакопеременного нагрузочного момента на валу привода решетного стана, что определяет переменную нагрузку питающей сети, возникновение значительных потоков реактивной мощности, сопровождающимися существенными активными потерями в проводах и обмотках электрических машин при циркуляции этих потоков в сети, что, в конечном счете, существенно ухудшает энергоэффективность решетных станов. Для решения проблемы нейтрализации механических инертных реактансов основной гармоники предложена схема решетного стана с двумя решетами, смещенными друг относительно друга на четверть периода колебаний. Установлена возможность возникновения свободных гармонических колебаний решет. Показано, что в предложенной системе происходит взаимный обмен кинетической энергией между решетами, при этом суммарная энергия системы при колебаниях не изменяется. Отмечено, что частота свободных колебаний решет не зависит от массы решет и определяется исключительно начальными условиями, при этом рассмотренная система может совершать свободные гармонические колебания с любой изначально заданной частотой, что предотвращает возможность возникновения резонанса. Показано, что при взаимной нейтрализации механических инертных реактансов решет привод агрегата не подвергается биениям и служит лишь для восполнение потерь на трение, для сообщения решетам колебаний (знакопеременного ускорения) он не используется, суммарный момент на валу равен нулю и на его опоры периодические силовые воздействия не передаются, при этом существенно разгружается привод, мощность которого может быть радикально уменьшена, исключаются биения и потери в питающей сети.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Попов Игорь Павлович, Чумаков Владимир Геннадьевич, Чикун Анатолий Васильевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SELF-NEUTRALIZING OF MECHANICAL INERT REACTANCE MAIN HARMONIC SIEVE BOOTS

Dynamics of sieves of sieve boot of grain cleaning machines for the main harmonics are considered. It is shown that the reaction of sieves as inert bodies with reciprocating oscillations manifested in power effect on the drive of the sieve mills, is explained by their mechanical inert reactance, the impact of which is in the occurrence of alternating load torque on the shaft of the drive of sieve boots, that defines a variable load mains, a considerable reactive power flows, accompanied by significant active losses in the wires and windings of electrical machines for the circulation of flows in the network, which, ultimately, significantly affects the energy efficiency of the sieve boots. To solve the problem of neutralization of mechanical inert reactance of main harmonic, scheme of the sieve boot with two sieves, offset relative to each other by a quarter of the oscillation period is proposed. The possibility of a free harmonic vibrations of the sieve is installed. It is shown that the proposed system is the mutual exchange of kinetic energy between the sieve, thus the total energy of the system while the oscillations does not change. It is noted that the frequency of free oscillations of the sieve does not depend on the mass of the sieve and is determined solely by the initial conditions, while the system can make available harmonic oscillations with any originally specified frequency that prevents the possibility of resonance. It is shown that under the mutual neutralization of mechanical inert reactance sieves the drive unit are not subject to beatings and serve only to replenish losses to friction, for transmission of vibrations (alternating acceleration) to sieves it is not used, the total moment on the shaft is equal to zero on its support periodic force impact is not transmitted, the actuator is unloaded significantly, the power of which can be drastically reduced, beating and losses in the supply network are excluded.

Текст научной работы на тему «Самонейтрализация механических инертных реактансов основной гармоники в решетных станах»

УДК 631.362.322

САМОНЕЙТРАЛИЗАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРТНЫХ РЕАКТАНСОВ ОСНОВНОЙ ГАРМОНИКИ В РЕШЕТНЫХ СТАНАХ

Попов Игорь Павлович, аспирант кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

Чумаков Владимир Геннадьевич, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Тракторы и сельскохозяйственные машины»

ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева»

641300, Курганская обл, Кетовский р-н, с. Лесниково т. (3522)429-458, E-mail: popov_ip@kurganobl.ru Чикун Анатолий Васильевич, генеральный директор ООО «Курганский завод нестандартного оборудования» 640027, г. Курган, пр. Машиностроителей, 36

Ключевые слова: решетный стан, механический инертный реактанс, привод, колебания, биения, момент, гармоника.

Предложена схема решетного стана с двумя решетами, смещенными друг относительно друга на четверть периода колебаний. Установлена возможность возникновения свободных гармонических колебаний решет. Показано, что в предложенной системе происходит взаимный обмен кинетической энергией между решетами, что позволяет существенно разгрузить привод и снизить нагрузку на питающую сеть.

Введение

Динамика решет зерноочистительных машин является характерным примером внешних периодических воздействий привода на массивные объекты. Реакция решет как инертных тел при возвратно-поступательных колебаниях проявляется в их силовом воздействии на привод решетных станов. Это воздействие обусловлено инерцией решет. При сообщении решетам колебательных движений момент на валу привода является знакопеременным. Применение схемы движения двух решетных станов в противоположных направлениях снимает динамическую нагрузку на корпус зерноочистительной машины, но не решает проблему нейтрализации переменной нагрузки привода решетного стана - момент на валу привода остается знакопеременным. Переменная нагрузка передается питающей сети, возникают значительные потоки реактивной мощности, сопровождающиеся существенными потерями в проводах и обмотках электрических машин при циркуля-

ции этих потоков в сети.

Мерой сопротивления инертного тела, оказываемого им источнику колебаний (приводу), является механический инертный реактанс. Понятие механических реактансов заимствованы из электротехники А.Г. Вебстером (Webster, 1919 г.).

Пусть к инертному телу приложена гармоническая сила f = Fmcoswt, где Fm - амплитуда силы, Н; w - циклическая частота колебаний, рад/с; t - время, с. В соответствии со вторым законом Ньютона в скалярной форме

Z7 , dv

Fm cos Qt _ m— m dt

0

v f t

Г dv Г cos Qtdt, J m J

0

F ( n

v _ —— cos I Qt--

am у 2 у

F F

V _ m _ m

Qm X

где т - масса, кг; V - скорость, м/с; Ут - амплитуда скорости, Хт - механический инертный реактанс, кгхрад/с.

Механический инертный реактанс: Хт . В комплексной форме

mm

V = -i

F F F

(1)

ют mm

Xm

Выражение (1) является аналогом закона Ома для механической системы. Здесь V - аналог электрического тока, Г - аналог электродвижущей силы, а Хт - аналог индуктивного реактанса.

Наиболее эффективным способом нейтрализации механического инертного реактанса является включение в кинематическую схему элемента, обладающего механическим упругим реактансом, равным по величине инертному и противоположным ему по знаку. В идеализированном варианте такая схема представляет собой пружинный маятник, собственная частота колебаний которого совпадает с частотой внешнего воздействия (режим резонанса). Это обусловлено тем, что с такой частотой в маятнике могут происходить свободные гармонические колебания. При этом массивный элемент обменивается энергией с пружиной, а не с источником внешнего воздействия, что является основой механизма нейтрализации его реактанса.

Однако системы, включающие элементы, обладающие инертным и упругим реактансами, имеют фиксированную собственную частоту колебаний, что делает указанный метод компенсации реактансов неприемлемым на практике, поскольку масса решета вместе с ворохом зерна может существенно меняться в процессе работы, что при фиксированной упругости пружины приведет к разбалансировке колебательной системы. Этим определяется актуальность настоящего исследования, целью которого является установление возможности воз-

никновения свободных гармонических колебаний в механической системе с однородными (инертными) элементами, т.е. обладающей однотипными реактансами [1 - 3], во всем рабочем спектре частот, что обусловливается взаимной компенсацией реактансов. В такой системе инертные элементы (решета) должны обмениваться кинетической энергией друг с другом, а не с приводом.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований является решетный стан зерноочистительной машины.

Методами исследований в рамках настоящей работы являются методы теоретической механики, математического моделирования и анализа.

Результаты исследований

Синтез системы. Синтез системы осуществляется на основе двух исходных условий.

Первое исходное условие. Система содержит два инертных элемента - два груза (решета). Элементы совершают гармонические колебания:

где xlt х2 - текущие координаты 1-го и 2-го решета соответственно, м; А - амплитуда колебаний, м; £ - фаза, рад; - начальные фазы, рад.

Второе исходное условие. Энергия системы при колебаниях не меняется

T1 + T2 = const.

Здесь T1, T2- кинетическая энергия 1-го и 2-го решета соответственно, Дж.

Одновременный учет обоих исходных условий дает представление о характере связи между инертными элементами. Действительно,

т ( dx, \

dt

т н—

2

dt

- const

cos2(<^i + i^i) + cos2(<^i + C,i) = const. Последнее справедливо при условии: ±тг/2. Полученное соотношение позволяет определить связующее звено между инертными элементами (решетами).

Такое звено может быть выптнено по схеме, представленной на р исунке.

т12

Рис. - Кинематическая схема решетного стана

Кривошипно-шатунный механизм, в отличие от кривошипно-кулисного или от механизма типа эллипсографа [4, 5], не обеспечивает гармонический характер колебаний в чистом виде, однако при сравнительно большой длине шатуна и малой амплитуде колебаний первая гармоника является несоизмеримо преобладающей. В соответствии с этим в дальнейших рассуждениях не учитываются высшие гармоники.

Анализ системы. Внешние усилия к грузам не приложены. Массы кривошипов, подвесов и трение не учитываются. Координаты грузов, соответственно,

XI = /сОБф,

х2 = /со8(л/2 ф), (2)

где I - амплитуда колебаний, м. В качестве обобщенной координаты удобно использовать j - угол поворота одного из эксцентриков, рад. Система имеет одну степень свободы и уравнение Лагранжа второго рода для нее записывается в виде:

дт=е

е

ег

Гдт\

V

дф) дф

Обобщенная сила О = 0 Н, поскольку активные силы отсутствуют. Кинетическая энергия

т=т = 2

екнх

ег

т + —

2

е%2

ег

\

-Б1П фф +

т12

-cos фф

т12

дТ_ дф дТ

= 0,

дф е

ег

т12ф,

гдТл

дер

= т12ф = 0.

Решение последнего уравнения:

¿УфМ-С'ь (4)

Ф= С1/+С2.

Пусть начальные условия:

ф(0) = Фо,

$(0)=со0.

ш

Тогда

с2 = фо,

С\ = соо. (5)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При этом (2) принимает вид:

XI = /со8(со0/ + Фо), Х2 = /С08(тг/2 - С00/ - фо).

Таким образом, грузы массой т совершают свободные колебания со значительным преобладанием первой гармоники.

В рассмотренной колебательной системе происходит взаимный обмен кинетической энергией между инертными элементами. Приф - о кинетическая энергия первого груза равна нулю, а второго - максимальна. После этого первый груз начинает ускоряться за счет энергии второго груза, который приобретает отрицательное ускорение.

В соответствии с (3), (4) и (5) суммарная энергия решетного стана

„ т12 . 2 т12ш0

Т =-ф =-0

2 2

и постоянна во времени. Частота колебаний решет тоже не меняется и определяется начальнымиусловиями.

• г

Из (1) следует: Хт = —

V

Применительно к рассматриваемо-• •

му случаю V Ф 0, Г = 0, следовательно

X т = 0 .

Таким образом, предложенная схема решетного стана с двумя решетами, смещенными друг относительно друга на четверть периода колебаний, позволяет взаимно нейтрализовать механические инертные реактансы первой гармоники для обоих решет. В соответствии с изложенным принципом может быть построена колебательная система с любым количеством инертных элементов (в данном случае - решет). Например, в трехэлементной схеме углы между эксцентриками должны составлять 120 градусов.

Выводы

Установлена возможность возникновения свободных гармонических колебаний в системах, состоящих только из инертных элементов, которая реализуется при обеспечении сдвига по фазе между колебаниями элементов.

В отличие от традиционных или смешанных [6 - 11] колебательных систем, в которых происходит преобразование энергии одного вида в энергию другого вида (кинетической в потенциальную или энергию электромагнитного поля), при энергообмене между однородными элементами представленной системы вид энергии не меняется. В рассмотренной системе происходит взаимный обмен кинетической энергией между инертными элементами. При этом суммарная энергия системы при колебаниях не изменяется.

Частота свободных колебаний системы с однородными элементами не зависит от параметров элементов и определяется исключительно начальными условиями, т.е. рассмотренная система может совершать свободные гармонические колебания с любой изначально заданной частотой без воз-

никновения резонанса.

При равенстве масс решет в зерноочистительных машинах, построенных по схеме, подобной рассмотренной, колебательные движения решет совершаются за счет энергии друг друга. Привод агрегата не подвергается биениям и служит лишь для восполнения потерь на трение. При этом суммарный момент на валу привода равен нулю и на его опоры периодические силовые воздействия не передаются.

Таким образом, схемы, подобные рассмотренной, разгружают привод, мощность которого может быть радикально уменьшена, нейтрализуют механические инертные реактансы, исключают биения и потери в питающей сети.

Библиографический список

1. Попов, И.П. Свободные гармонические колебания в электрических системах с однородными реактивными элементами / И.П. Попов // Электричество. - 2013. - № 1. - С. 57-59.

2. Попов, И.П. Индуктивно-индуктивная колебательная система / И.П. Попов, Д.П. Попов, С.Ю. Кубарева // Вестник Курганского государственного университета. Технические науки. - 2013. - Вып. 8. - № 2(29). - С. 78, 79.

3. Попов, И.П. Схема взаимной компенсации реактивной мощности фаз с симметричной нагрузкой / И.П. Попов, В.И. Чарыков, С.А. Соколов, Д.П. Попов // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 9-й Международной научно-технической конференции. - 2014. - Москва. ГНУ ВИЭСХ. - Ч. 1. Проблемы энергообеспечения и энергосбережения. - С. 148-151.

4. Попов, И.П. Колебательная система из трех пружин и кривошипно-кулисного механизма / И.П. Попов, Д.П. Попов, С.Ю. Кубарева // Вестник Курганской ГСХА. - 2013. - № 2 (6). - С. 65, 66.

5. Попов, И.П. О самонейтрализации реакции системы, состоящей из упругих элементов, на гармонические воздействия / И.П. Попов, Д.П. Попов, С.Ю. Кубарева // Зауральский научный вестник. - 2012. - № 2. С. -39-41.

6. Попов, И.П. Упруго-индуктивный ос-

1!

га еа »1

р и ш М

00 и

циллятор / И.П. Попов // Российский научный журнал. - 2013. - № 1(32). - С. 269, 270.

7. Попов, И.П. Свободные гармонические колебания в системах с элементами различной физической природы / И.П. Попов // Вестник Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова. - 2012. - Т. 18. - № 4. -С. 22-24.

8. Попов, И.П. Свободные гармонические колебания в упруго-емкостной системе / И.П. Попов // Вестник Курганского государственного университета. Естественные науки.

- 2011. - Вып. 4. - №2(21). - С. 87-89.

9. Попов, И.П. Инертно-индуктивный осциллятор / И.П. Попов, Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Са-рапулов // Вестник Курганского государственного университета. Технические науки. - 2013. Вып. 8. - № 2(29). - С. 80, 81.

10. Попов, И.П. Упруго-индуктивные колебания в системах автоматики / И.П. Попов, Д.П. Попов, С.Ю. Кубарева // Вестник Курганской ГСХА. - 2013. - № 3 (7). - С. 57-59.

11. Попов, И.П. Инертно-емкостная колебательная система / И.П. Попов // Зауральский научный вестник. - 2013. - № 2(4). - С. 65, 66.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.