CC BY
10УДК 622.767.553/.555:62-868
К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВИБРАЦИОННОГО ПРИВОДА ВИБРОЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА
А.В. Линенко, Б.Р. Халилов, Т.И. Камалов, Д.Р. Сыртланов ФГБОУ ВО Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, Россия
Аннотация. Экономическая эффективность производства зерновой продукции в значительной степени зависит от применения энергоэффективного, ресурсосберегающего технологического оборудования, способного обеспечить высокое качество технологического процесса. В связи с этим в работе рассмотрен возможный путь совершенствования вибрационного привода виброцентробежного зернового сепаратора, который имеет сложную конструкцию и высокие эксплуатационные издержки. В качестве привода применен плоский линейный асинхронный электродвигатель, который позволяет минуя различного рода преобразователи вида движения, получать непосредственно поступательное движение рабочего органа, а совместно с упругими элементами реализовать энергетически эффективный электропривод вибрационного движения с регулируемыми параметрами колебаний. Разработана математическая модель виброцентробежного зернового сепаратора с линейным электроприводом, которая реализована в среде объектно-визуального моделирования MatLab (Simulink), получены зависимости, характеризующие параметры амплитудно-частотных характеристик в зависимости от конструктивных параметров привода.
Введение
Основной задачей предприятий занимающихся послеуборочной переработкой зерна, является обеспечение его максимальной сохранности. Для успешного выполнения данной задачи большое значение имеет правильный выбор зерноочистительной машины [2].
В данном случае наиболее выгодно выделяются виброцентробежные зерновые сепараторы (ВЦС), в которых под действием вращательного и колебательного движения рабочего органа происходит сепарирование зерновой смеси. Данные сепараторы в отличие от классических машин плоскорешетного типа имеют более высокую производительность, меньшую энергоемкость и занимают значительно меньше рабочего пространства. Рабочими органами ВЦС являются вертикальные цилиндрические решета, которые совершают вращательное движение вокруг своей оси, и колебательное движение, осуществляемое вдоль оси вращения [6, 12].
Однако существующие схемы привода получения осевых колебаний рабочего органа ВЦС несовершенны, и имеют ряд существенных недостатков, основным из которых является его низкая надежность, обусловленная применением преобразователей вида движения [5, 7].
Материалы и методы исследования
Одним из путей устранения этих недостатков является разработка вибрационного привода ВЦС на базе плоского линейного асинхронного электродвигателя (ЛАД),
который непосредственно электрическую энергию преобразует в поступательное движение вторичного элемента, минуя различного рода преобразователи вида движения [3, 4, 8, 9]. Применение упругих накопителей механической энергии (цилиндрические винтовые пружины) в приводах с ЛАД позволяют существенно повысить их КПД за счет того, что накопленная кинетическая энергия при прямом ходе рабочего органа не гасится режимом противовключения, а переходит в потенциальную энергию упругого элемента, которая затем возвращает рабочий орган в исходное положение и позволяет реализовать энергетически эффективный электропривод колебательного движения [1].
Перспективным направлением развития электропривода колебательного движения является создание мехатронных систем на базе ЛАД, в которых происходит сращивание электрической машины с рабочим органом под управлением интеллектуальной системы управления. Однако, наличие дорогой системы управления ЛАД удорожает привод колебательного движения рабочего органа и снижает его надежность, поэтому поиск новых эффективных технических решений, обеспечивающих вращательно-колебательное движение рабочего органа без соответствующей системы управления колебаниями рабочего органа является актуальной задачей [10].
Результаты и обсуждение
Кинематическая схема конструкции ВЦС с ЛАД показана на рисунке 1.
1 - корпус, 2 - индукторы ЛАД, 3 - решета цилиндрической формы, 4 - лопатки, 5 - цилиндрические дисковые очистители, 6 - разбрасыватель, 7 - кольцо, 8 - ролики, 9 - упругие элементы, 10 - шлицевое соединение, 11 - шкивы, 12 - электродвигатель.
Рисунок 1 - Кинематическая схема ВЦС с ЛАД
Внутри корпуса 1 размещается рабочий орган 3, состоящий из трех ярусов решет цилиндрической формы, которые с помощью электрических приводов получают вращательное и вертикальное вибрационное движения [10].
Электропривод вибрационного движения рабочего органа в вертикальной плоскости представляет собой плоский ЛАД, состоящий из нескольких индукторов [5, 6] 2, жестко закрепленных на основании, и кольца 7 с симметричными сквозными отверстиями, подпружиненного относительно основания с помощью роликов 8 и упругих элементов 9 (рисунок 2). Выполнение симметричных сквозных отверстий на кольце 7, которое одновременно является ротором ЛАД, позволяет не отключать индукторы ЛАД от сети в процессе работы ВЦС, т.е. они подключены к сети постоянно. Рабочий орган 3, связан через шлицевое соединение 10 с горизонтально расположенным шкивом 11, который при помощи клиновых ремней получает вращение от шкива 11, закрепленного на валу электродвигателя 12. При вращении шкива 11 рабочий орган сепаратора приводится во вращение вокруг своей вертикальной оси.
Вибрационное движение обеспечивается тем, что вращающееся кольцо с отверстиями периодически попадает в магнитное поле индукторов ЛАД и выходит из него. В момент вращения, когда часть кольца без отверстий располагается напротив индукторов ЛАД (рисунок 26), возникает электромагнитная сила, под действием которой кольцо приходит в поступательное движении, к примеру вниз в вертикальной плоскости. При этом упругие элементы 9, расположенные под кольцом сжимаются. По мере вращения кольца 7, наступает момент, при котором симметрично расположенные отверстия 13 кольца находятся напротив индукторов ЛАД (рисунок 2б), при этом электромагнитное поле пропадает, и за счет энергии накопленной в упругих элементах, кольцо возвращается в исходное состояние, продолжая при этом совершать вращательное движение. Далее в момент, когда напротив индукторов будут проходить части кольца без отверстий, кольцо снова придет в поступательное движение и далее описанный процесс повторится. Частота колебаний рабочего органа будет определяться количеством отверстий на кольце и его частотой вращения [10].
/1-/1
2 - индукторы ЛАД, 7 - кольцо, 8 - ролики, 9 - упругие элементы, 13 - сквозные отверстия Рисунок 2 а - Общий вид вибрационного привода, б - Положения вторичного элемента во время работы ВЦС
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит осуществить вибрационное движение рабочего органа ВЦС от ЛАД без блока его периодического подключения и отключения от сети, что позволит в значительной степени снизить стоимость и материалоемкость всей конструкции, и повысит ее надежность.
Для всестороннего исследования предложенного подхода к вибрационному приводу была разработана математическую модель. Математическая модель реализуется в соответствии с уравнениями динамики ВЦС [7, 11] в среде объектно-визуального моделирования Ма1ЬаЬ ^тиНпк). Линейный асинхронный электродвигатель реализован по дифференциальным уравнениям Парка-Горева, упругие элементы по закону Гука [7].
Для исследования математической модели определены параметры схемы замещения ЛАД: Я;=4,09 Ом, Х1 =0,141 Ом, Х2=0,85 Ом, Хт=4,7 Ом, Я2=5,05 Ом и полюсное деление г =0,036 м; плотность зерна с влажностью 16% равна 730 кг/м ; номинальная угловая скорость рабочего органа составляет а = 11,5рад/с; масса рабочего органа т1 = 10 кг; масса зерновой смеси т2 = 1,5____8,0 кг.
Оптимальный кинематический режим сепарации семян конкретной зерновой культуры имеет свое определенное сочетание согласованных друг с другом значений частоты и амплитуды колебаний рабочего органа [12]. Определение амплитудно-частотных характеристик в зависимости от конструктивных параметров привода является важной исследовательской задачей, так как полученные зависимости могут быть использованы при проектировании конкретных конструкций.
Рисунок 3 - Зависимости амплитуды и частоты колебаний рабочего органа от частоты его вращения, при различном количестве сквозных симметричных отверстий во
вторичном элементе
Для качественного разделения семян при изменении вида сельскохозяйственной культуры требуется регулировать амплитуду Акол и частоту колебаний V рабочего органа ВЦС. Эффективным способом регулирования этих параметров в предложенных
технических решениях является изменение жесткости упругих элементов (наиболее трудоемкий), частоты вращения а рабочего органа и количества отверстий в кольце.
Частота колебаний рабочего органа V и амплитуда Акол колебаний определяются частотой вращения а рабочего органа и количеством симметричных отверстий в кольце.
На рисунке 3 представлены зависимости амплитуды и частоты колебаний рабочего органа от частоты его вращения, при различном количестве сквозных симметричных отверстий во вторичном элементе.
Как видно из данного графика, частота колебаний рабочего органа имеет линейную зависимость от частоты его вращения. При этом влияние количества симметричных отверстий во вторичном элементе на амплитуду колебаний рабочего органа тем выше, чем больше количество отверстий. Наиболее предпочтительным является выбор вторичного элемента с 4 сквозными отверстиями. Такое решение позволит при номинальной угловой скорости рабочего органа а = 11,5-12 рад/с (110-120 об/мин) обеспечить частоту колебаний рабочего органа в пределах 10-12 Гц.
Выводы
В результате исследования предложена оригинальная конструкция ВЦС с ЛАД, защищенная патентом РФ [20], которая позволяет отказаться от сложного механического преобразователя вращательного движения в возвратно-поступательное, а также от блока периодического включения и отключения ЛАД к сети. Это в свою очередь, по сравнению с существующими конструкциями ВЦС, снизит эксплуатационные затраты и уменьшит массогабаритные показатели установки. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать работу ВЦС в режиме вынужденных колебаний и определять зависимости, характеризующие параметры амплитудно-частотных характеристик в зависимости от конструктивных параметров привода.
Список используемых источников:
1. Аипов Р. С. , Линенко А. В. Линейные электрические машины и линейные асинхронные электроприводы технологических машин: учебное пособие. Уфа: Башкирский ГАУ, 2013, 306 с.
2. Аль Майди А. А. Пути увеличения и повышения эффективности производства зерна // Молодой ученый, 2015, №4, с. 296-299.
3. Ganesh Sampath V. et al., "Design, Development and Electromagnetic Analysis of a Linear Induction Motor", Applied Mechanics and Materials, Vol. 852, Pages: 794-798, 2016 ISSN: 1660-9336
4. Lim, Jaewon et al. "Analysis and Experimental Evaluation of Normal Force of Linear Induction Motor for Maglev Vehicle", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. IEEE International Magnetics Conference (Intermag), Vol.53, Issue 11, Article Number: 8300504, 2017 ISSN: 0018-9464
5. Linenko A.V. et al. Experimental vibro-centrifugal grain separator with linear asynchronous electric drive // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. Т. 13. № S8. С. 6551-6557
6. Линенко А.В., Камалов Т.И., Халилов Б.Р. Математическая модель виброцентробежного сепаратора с линейным электроприводом / Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. Т. 14. № 3. с. 47-53.
7. Линенко А.В., Халилов Б.Р. Прогрессивные пути совершенствования виброцентробежных сепараторов / Вестник Башкирского государственного аграрного
университета. 2018. № 3 (47). с. 68-73.
8. Nahid Ahmadinia. The Linear Induction Motor (LIM) & Single Linear Induction Motor (SLIM). American Journal of Electrical Power and Energy Systems. Vol. 3, No. 4, 2014, pp. 71-75. doi: 10.11648/j.epes.20140304.11
9. Nasar S. A. Linear motion electric machines / S. A. Nasar, I. Boldea (New York etc.) 1981. - 176 с.
10. Патент на изобретение 2678008, Российская Федерация, Вибрационная центрифуга / Линенко А.В., Аипов Р.С., Халилов Б.Р., Камалов Т.И., Гильванов В.Ф.; заявитель и патентообладатель Башкирский гос-й аграрный ун-т, 22.01.2019. Заявка № 2018108498 от 07.03.2018.
11. Халилов Б.Р., Камалов Т.И., Хуснутдинов Ш.И. Математическое моделирование виброцентробежного сепаратора с линейным электроприводом / Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 20-летию образования энергетического факультета Башкирского ГАУ, в рамках Российского энергетического форума и международной выставки «Энергетика Урала». 2018. с. 53-58.
12. Яруллин, Р.Б. Динамика вибрационных зерноочистительных машин с регулируемыми параметрами. Проблемы электропривода: учебное пособие. Уфа: Уфимск. гос. академия экономики и сервиса, 2007, 232 с.
А.В. Линенко, д-р техн. наук, Б.Р. Халилов, канд. техн. наук, Т.И. Камалов, канд. техн. наук, Д.Р. Сыртланов ФГБОУ ВО Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, Россия
ON THE ISSUE OF IMPROVING THE VIBRATION DRIVE OF VIBRATION-CENTRIC
SEPARATOR
Abstract. The economic efficiency of grain production largely depends on the use of energy-efficient, resource-saving technological equipment that can ensure high quality of the technological process. In this regard, the paper considers a possible way to improve the vibration drive of a vibrating grain separator, which has a complex design and high operating costs. As a drive, a flat linear asynchronous electric motor is used, which allows bypassing various types of motion converters to obtain directly the translational motion of the working body, and together with elastic elements to implement an energetically efficient electric drive of vibration motion with adjustable oscillation parameters. A mathematical model of a vibration-centered grain separator with a linear electric drive is developed, which is implemented in the object-visual modeling environment MatLab (Simulink), and dependencies are obtained that characterize the parameters of the amplitude-frequency characteristics depending on the design parameters of the drive.
Keywords: Vibration, secondary element, cleaning, grain, working body, linear motor, inductor.
A.V. Linenko, Dr. tech. sci., B.R. Khalilov, Cand. tech. sci.,
T.I. Kamalov, Cand. tech. sci., D.R. Syrtlanov FGBOU VO Bashkir State Agrarian University, Ufa, Russia.
