автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с комбинированным энергопитанием

отьввгв!

Фардеев Альберт Рифович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЦИРКУЛЯЦИИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ

ЭНЕРГОПИТАНИЕМ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 И/ОМ ?П1д

Набережные Челны - 2010

004606201

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Байрамов Фарит Давлетович

Официальные оппоненты: доктор технических паук, профессор

Дмитриев Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович

Ведущая организация: Технологический центр

ОАО «КАМАЗ»

Защита состоится «26» июня 2010 г. в 16С0 на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в Камской государственной инженерно-экономической академии по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Камской государственной инженерно-экономической академии.

Автореферат разослан «24» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Л. А. Симонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гидравлические системы управления являются одним из средств автоматизации и механизации производственных процессов в машиностроении. Энергию жидкости, находящейся под давлением, используют для приведения в движение механизмов и машин, автоматического управления технологическими процессами. Сокращение затрат на процесс повышения давления жидкости возможно путём введения в этот процесс дешёвых, экологически чистых видов энергии и создания автоматических систем управления процессом повышения давления жидкости.

На машиностроительных предприятиях существуют технологические процессы, в которых необходимо создавать циркуляцию жидкости. Например, такая необходимость возникает при подаче смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в зону механической обработки деталей. Подача СОТС в эту зону необходима в связи с тем, что при механической обработке деталей происходит тепловыделение. Высокие температуры могут привести к быстрому износу инструмента, снижению точности и качества обработки. Смазочно-охлаждающие технологические средства уменьшают силы трения и отводят выделившееся тепло.

Регенерация СОТС происходит путем их циркуляции через фильтры. Для обеспечения циркуляции применяются насосы. Насосы приводятся в движение электродвигателями, которые потребляют элеетроэнергию. Для производства энергии в основном используются невосполнимые природные ресурсы. При этом велики выбросы в атмосферу тепла, продуктов сгорания топлива. Из-за уменьшения легко добываемой части ископаемых видов топлива увеличивается себестоимость энергоносителей. Дорого обходится и транспортировка энергоносителей или самой энерг ии. Это связано с большой ценой строительства трубопроводов и линий электропередач. Исходя из экономических и экологических соображений выгодно использовать для обеспечения циркуляции жидкости дешевую, экологически чистую энергию ветра.

Скорость ветра переменна. Поэтому приходится использовать ветродвигатель в качестве двигателя системы циркуляции жидкости только в некоторые промежутки времени. В оставшееся время двигателем системы циркуляции является электродвигатель. Для осуществления совместной работы ветродвигателя и электродвигателя необходимы системы управления. Естественно, при наличии энергии жидкости, движущейся под давлением, необходимо выбирать гидравлические системы управления.

В связи с вышесказанным являются актуальными проблемы разработки автоматических систем управления технологическими процессами машиностроения, содержащими ветроэнергетические установки.

Объектом исследования является система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия.

Предметом исследования является автоматизация процесса управления работой системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств с комбинированным энергопитанием.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия путём снижения энергозатрат за счет автоматизации процесса переключения ветро- и электроприводов насосов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработать автоматизированную систему циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с применением комбинированных ветро- и электроприводов и систему её управления;

- разработать математические модели объекта и системы управления и исследовать область устойчивости работы системы при регулировании рабочего объёма пластинчатого насоса и плошади сечения воздуховодов;

- разработать математическую модель взаимодействия регулируемого пластинчатого насоса системы и ветродвигателя;

- разработать способы автоматического поддержания работы ветродвигателя системы подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности ветрового потока.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, методы теории автоматического управления, гидропневмоавтоматики, гидравлики и гидроприводов, теории механизмов и машин, теоретической механики.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена корректным применением математических методов, согласованностью новых результатов с известыми положениями и результатами экспериментальных исследований. Научная новизна работы состоит в следующем:

разработана функциональная модель системы управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом, отличающейся тем, что обеспечивается автоматическое переключение ветро- и электроприводов в зависимости от скорости ветра;

разработана математическая модель автоматического управления системой подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности, отличающаяся тем, что регулирование угловой скорости вращения ротора ветродвигателя обеспечивается изменением рабочего объема пластинчатого насоса либо изменением площади сечения воздуховодов;

- построена математическая модель автоматической системы подачи жидкости и установлена область устойчивости её работы при управлении рабочим объёмом насоса или площадью сечения воздуховодов.

Практическая ценность работы:

разработана система управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом;

разработаны автоматические системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей или гидроприводом, на основе которых разработана автоматизированная система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств, работающая как от электрической сети, так и от ветронасосной установки; ' - предложен новый ветродвигатель с автоматически регулируемыми лопастями по патенту на полезную модель № 0090042, применение которого в регионах с высокой среднегодовой скоростью ветра позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра;

изготовлен и опробован в работе экспериментальный образец ветроагрегата с роторным ветродвигателем. Работа этого ветроагрегата показала, что при

управлении рабочим объёмом насоса роторный ветродвигатель можно использовать даже при малой скорости ветра;

определены зависимости рабочего объема и давления регулируемого пластинчатого насоса от скорости ветра, а также зависимость рабочего объема гидромотора (в случае использования ветронасосной установки с гидроприводом) от скорости ветра, которые необходимы при проектировании системы.

Применение разработанной автоматизированной системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств обеспечивает существенную экономию электроэнергии машиностроительного предприятия.

Реализация результатов. Результаты исследований переданы на автомобильный завод ОАО «КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочпо-охлаждающих технологических средств и используются в учебном процессе Камской государственной инженерно-экономической академии.

Апробация работы. Полученные результаты обсуждались на V международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2007), VIII международном симпозиуме "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2007), XIII международной научно-практической конференции " Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 2009), а также на научных семинарах кафедры возобновляемых источников энергии и гидроэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (2007) и кафедры автоматизации и информационных технологий Камской государственной инженерно-экономической академии (2008-2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей, 2 из которых - в журналах, рекомендованных ВАК, 2 - обсуждались на международных конференциях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из принятых обозначений, введения, 4 глав, заключения и списка литературы; содержит 126 страниц машинописного текста, 44 рисунка, список литературы из 110 наименований и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов, приведены сведения о публикациях.

В первой главе рассмотрена система циркуляции СОТС машиностроительного предприятия, изучена возможность использования в этой системе энергии ветра, рассмотрены существующие ветродвигатели и ветроэнергетические установки, возможность автоматического управления их работой, разработаны технические требования и произведён выбор ветродвигателя привода и насоса.

При исследованиях использованы труды отечественных и зарубежных учёных: в области автоматизации и теории автоматического управления - И. В. Абрамова, В. Л. Анхимюка, В. А. Бесекерского, Л. М. Бойчука, В. Н. Брюханова, А. А. Воронова, А. А. Денисова, А. А. Ерофеева, Н. Н. Иващенко, Э. И. Коротаева, Е. П. Попова, Т. К. Сиразетдинова, Ю. М. Соломенцева, В. Л. Сосонкина, А. Г. Схиртладзе, В. С. Тергана, и др.; в области гидропневмоавтоматики - В. В. Гуськова, Р. Моля, В. П. Темного, Ю. И. Чупракова; в области гидравлики и гидроприводов - Е. И. Абрамова, Т. М. Башты, Ю. А. Беленкова, Л. Б. Богдановича, Я. М. Вильнера, Ф. М. Долгачёва, И. 3. Зайченко,

3

В. С. Лейко, и др.; в области теории механизмов и машин - И. И. Артоболевского; в вопросах аэродинамики - П. Г. Баклушина, Н. Ф. Краснова, В. М. Лятхера, С. П. Стрелкова; в области теоретической механики - Н. Н. Никитина; в вопросах ветроэнергетики - А. А. Афанасьева, Ф. Д. Байрамова, Де Рензо, В. В. Жерехова, В. В. Зубарева, И. П. Копылова, А. А. Красовского, С. Ф. Морозова и др.;

Самыми мощными, следовательно, самыми большими потребителями энергии в системе циркуляции СОТС являются системный и фильтрационный насосы. Поэтому есть смысл заменить эти насосы ветронасосными установками. Ветронасосной установкой названа машина, двигателем которой является ветродвигатель, а исполнительным органом - насос. Замена насосов будет происходить лишь на определённое время. Имеется в виду время работы ветронасосных установок в режиме обеспечения циркуляции жидкости и в режиме разрядки гидроаккумулятора. Так как скорость ветра постоянно изменяется (снижаясь иногда до нуля), то приходится использовать автоматическое управление для замены на определённое время насосов ветронасосными установками.

В работе рассмотрены существующие системы автоматического управления ветродвигателем. Проведен анализ и выбор элементов управления ветродвигателя роторного типа для автоматического отбора максимальной мощности.

Определены основные технические требования, согласно которым выбирается ветродвигатель:

а) возможность работы при малой скорости ветра;

б) отсутствие системы ориентации;

в) небольшая высота башни;

г) бесшумность.

В работе показано, что для ветронасосной установки целесообразно выбирать роторный ветродвигатель с выпуклыми лопастями и направляющими вокруг ротора, т. к. он удовлетворяет всем выработанным требованиям.

В регионах с высокой среднегодовой скоростью ветра может использоваться ортогональный ветродвигатель с автоматически регулируемыми лопастями в форме крылового профиля (патент № 0090042). Использование этого ветродвигателя выгодно в связи с тем, что при большой скорости воздушного потока у него более высокий коэффициент использования энергии ветра.

Для перекачивания чистых маслянистых жидкостей в ветронасосной установке выгодно использовать механическую передачу и регулируемый пластинчатый насос. Это связано с тем, что чистую маслянистую жидкость может перекачивать пластинчатый насос. Использование регулируемого пластинчатого насоса позволяет работать ветронасосной установке даже при малой угловой скорости ротора насоса и обеспечивать работу системы подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности ветрового потока. Механическая передача в виде вертикального вала передает движение от ротора ветродвигателя ротору регулируемого пластинчатого насоса. При этом не происходит поворота оси вращения и изменения параметров движения (угловой скорости и вращающего момента). Такой подход позволяет минимизировать потери энергии в передаче.

Для перекачивания сильно загрязненной жидкости пластинчатый насос не может быть использован в силу конструктивных особенностей. Поэтому используется центробежный насос. Рабочий орган центробежного насоса должен вращаться с большой угловой скоростью, т. е. параметры движения должны быть преобразованы. Это преобразование в механической передаче вызывает большие потери. Поэтому в

данном случае удобно использовать гидропривод. Но при этом насосом гидропривода должен быть регулируемый пластинчатый насос в связи с тем, что он позволяет управлять нагрузкой ветродвигателя.

Итак, существует возможность использования энергии ветра в системе циркуляции СОТС машиностроительного предприятия. Это можно сделать путем включения в существующую систему циркуляции СОТС ветронасосных установок совместно с существующими электронасосами. Для этого требуется система автоматического управления переключением приводов от ветродвигателя или электродвигателя, а также система управления работой ветронасосных установок. На основе существующих технических решений разработаны устройства управления работой ветродвигателя роторного типа в режиме максимальной снимаемой мощности.

В качестве ветродвигателя ветронасосной установки автоматической системы подачи жидкости выбран роторный ветродвигатель с выпуклыми лопастями и направляющими вокруг ротора (в регионах с малой скоростью ветра), либо ортогональный ветродвигатель с автоматически регулируемыми лопастями (в регионах с высокой скоростью ветра).

Для перекачивания чистых смазочно-охлаждающих технологических средств выбрана механическая передача в виде вертикального вала и регулируемый пластинчатый насос. Для перекачивания загрязнённых средств выбран гидропривод и центробежный насос.

Во второй главе разработана функциональная модель системы управления, которую необходимо использовать при разработке автоматической системы подачи жидкости с комбинированными приводами. Разработана математическая модель объекта управления автоматической системы подачи жидкости при регулировании рабочего объёма пластинчатого насоса и площади сечения воздуховодов. Проведён анализ влияния изменения скорости ветра и количества потребителей на давление насоса. Разработана математическая модель объекта управления автоматической системы подачи жидкости при её работе в некотором равновесном (номинальном) режиме. Изучена зависимость рабочего объема насоса и его давления от скорости ветра, а также зависимость рабочего объема гидромотора от скорости ветра при работе системы в этом режиме.

В работе показано, что в автоматической системе подачи жидкости необходимы системы управления переключением приводов, управления рабочим объёмом насоса, управления площадью сечения воздуховодов. Разработанная функциональная модель системы управления работой автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей или гидроприводом показана на рис. 1.

Пусть скорость ветра и рабочий объём пластинчатого насоса автоматической системы подачи жидкости с применением ветронасосной установки с механической передачей являются переменными величинами, а площадь сечения воздуховодов постоянна.

Из системы подачи жидкости выделен объект управления , представляющий собой совокупность ротора ветродвигателя, вертикального вала и ротора пластинчатого насоса. Тела, входящие в эту систему, совершают лишь вращательные движения относительно вертикальной оси. Построена математическая модель объекта управления. Состояние системы описывается угловой скоростью вращения ротора ветродвигателя. Взаимодействие ротора ветродвигателя, воздушного потока и нагрузки,

создаваемой насосом, описывается при помощи дифференциального уравнения вращательного движения тел, входящих в рассматриваемую систему:

dt

О)

где I - момент инерции ротора ветродвигателя, вертикального вала и ротора пластинчатого насоса как одного тела относительно оси вращения; co(t) - угловая скорость вращения ротора ветродвигателя; M(t) - момент, приложенный к ротору ветродвигателя со стороны внешних сил; Мн (t) - момент, потребляемый насосом.

Движущий момент M(t) определяется но формуле

œ(t)

где 0(1) - скорость ветра; р - плотность воздуха; 8 - ометаемая площадь ветродвигателя; Е, - коэффициент использования энергии ветра.

yati-l'in

Vi(tt=o(t) : ОУ-ВЭУ

S, (О

Uïi(t) - шмененне рабочего сйъфкй; ' пластинчатого насоса

УУк - сервомотор изменения рабочего объема насоса

LJi <t) - изменение доступа воздушного потока к ветродвигателю 7 . ! : '

Г,

, = г.

УУ.2 - сервомотор и гидроцилнндры огращрштеля воздушного потока

UsiitV-размыкание контактов электронасоса ; £21(О=Т.(0'-Р, ¿о---\ .у::'; Г

¡¡¿<t) = P{t)-P..v"q.

УУи -переключатель 1-

т.

г31'п : ['iis • р, ii»

Uz>(t) -замыкание контактов .электронасоса L'»(t):- соедгшенне шдри.ипшй :

■ш

Ml- P(t) Г. -Л

УУв - выключатель 4

Lb<t) - ра-аединенне тпдролшшн Г

, 1— ■ Ш(0 - соедтаешш пирошпнш

V r .-;.,(4.. "P(t)-P, Ut , .. -; . :-, y y

л

УУм - вьтключатель

T

Ux(t) - радедннеяпе гндролшшй

Рисунок 1 - Функциональная модель системы управления работой автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей или гидроприводом

Момент M„(t), потребляемый насосом, определяется по формуле

m.(o=-U( ),

ПДО 2% nto(tj

где т)„ (I) - КПД насоса; Р„ас(0 - давление насоса; Уон(1) - рабочий объем насоса; А -постоянная, зависящая от конструкции насоса; ц - динамическая вязкость жидкости.

После линеаризации уравнение (1) примет вид:

Т^ + у(г)=К^(0-К„иу(0, (2)

Ш

где Ки„, К„, Т - константы, определяемые по формулам:

т= 1юоП.ойМ„0 к = Зпи(,йй)„Мн„ к = РтсЛн0цю0

Ми(т1ноИш0Мяо+АР1„)' " (л„о^,,М„ + ЛР10)' иу 2я(л,оЙш1)М„ + АР^с0)' у^), ш^), и^) - относительные изменения угловой скорости ротора ветродвигателя, скорости ветра и рабочего объёма регулируемого пластинчатого насоса в малой окрестности некоторого равновесного режима. Нижний индекс 0 указывает на значение величины при работе системы в номинальном режиме.

Полученное уравнение (2) описывает математическую модель объекта управления при регулировании рабочего объёма пластинчатого насоса.

Если скорость ветра большая, то регулирование рабочего объема прекращается и он равен некоторому постоянному значению. Начинается управление площадью сечения воздуховодов. В этом случае необходимо исключить из рассмотрения переменную и ДО. Введём вместо нее переменную и5(1)- относительное изменение ометаемой площади ветродвигателя в малой окрестности некоторого равновесного режима.

Тогда аналогичным образом вместо уравнения (2) получим уравнение:

ТМ1 + у(0=К^(1)+Кии.(1), (3)

где Ки5 - константа, определяемая по формуле:

к П„пМю1)Мн0

(Л»оИ®оМНо + ^^гасо )

а константы К„, Т определяются по ранее приведённым формулам.

Полученное уравнение (3) описывает математическую модель объекта управления при регулировании площади сечения воздуховодов.

Установлено, что изменения скорости ветра и количества потребителей вызывают небольшое изменение давления в трубопроводе. Это сделано путем одновременного построения в одной и той же плоскости и в одном и том же масштабе двух кривых: кривой потребного напора трубопровода и характеристики насоса. Пересечение данных кривых является рабочей точкой. Было проанализировано изменение положения рабочей точки при изменении скорости ветра и числа потребителей в случае применения переливного клапана.

Получены уравнения для давления пластинчатого насоса и его рабочего объёма при работе автоматической системы подачи жидкости в номинальном режиме. Эти уравнения имеют вид:

_ р5!;и3 -21М„0

гнас

Р

V =2я

ЭрБ^У ЗАРдцД ^ --1--

2Раг НО

где NH0 - мощность, необходимая для выведения ротора насоса из состояния покоя; ß -коэффициент пропорциональности; Rp - расстояние от точки давления лопасти ветродвигателя до оси вращения его ротора.

Если вращательное движение ротора ветродвигателя передается валу центробежного насоса через гидропривод, то эти уравнения будут определять давление и рабочий объем насоса гидропривода. Показано, что рабочий объем Vor гидромотора определяется по формуле

где г|(1 - объёмный КПД гидропривода; сог - необходимая угловая скорость гидромотора.

Итак, установлено, что при разработке автоматической системы подачи жидкости необходимо использовать системы управления переключением приводов, управления рабочим объёмом насоса, управления площадью сечения воздуховодов. Разработана функциональная модель системы управления автоматической системы подачи жидкости с применением ветронасосной установки с механической передачей или гидроприводом.

При переменной скорости ветра установлены дифференциальные зависимости между рабочим объемом пластинчатого насоса (либо ометаемой площадью ветродвигателя), угловой скоростью ротора ветродвигателя и скоростью ветра.

Установлено, что изменения скорости ветра и количества потребителей вызывают небольшое изменение давления в трубопроводе.

С целью определения диапазона изменения рабочего объема регулируемого пластинчатого насоса и давления, которое он может создать, установлены зависимости рабочего объема насоса и его давления от скорости ветра. Зная рабочий объём и давление насоса, можно определить мощность, потребляемую насосом, по формуле

В случае использования ветронасосной установки с гидроприводом с целью определения рабочего объема гидромотора установлена зависимость рабочего объема гидромотора от скорости ветра.

В третьей главе Разработаны автоматические системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механическим или гидравлическим приводами. Разработана математическая модель системы управления рабочим объёмом регулируемого пластинчатого насоса и площадью сечения воздуховодов. Разработана автоматизированная система циркуляции СОТС машиностроительного предприятия с применением ветронасосных установок.

Создание автоматических систем подачи жидкости производилось путём присоединения к ветронасосной установке с механическим или гидравлическим приводом электронасоса и систем управления переключением приводов, управления рабочим объёмом регулируемого пластинчатого насоса и управления площадью сечения воздуховодов. На основе функциональной модели системы управления работой автоматической системы подачи жидкости, которая показана на рис. 1, была разработана система управления рабочим объёмом регулируемого пластинчатого насоса и площадью сечения воздуховодов. Схема этой системы управления показана на рис. 2.

N.

сечения воздуховодов:

/ - регулятор: 2 - рычаг; 3 - шток: 4 - золотниковый гидрораспределитель;

5 - плунжер: б - сервомотор; 7 - пружина; 8 - подвижный корпус; 9 - плунжер; 10 - регулируемый пластинчатый насос; 11 - рычаг; 12- тяга; 13 -удлинитель; 14 - гидрораспределитель; 15-шток; 16- плунжер; 17, 18 — выступы на штоке 15; 19, 20 - вентили; 21 - сервомотор; 22 - плунжер; 23 -гидроцилиндр; 24 - плунжер; 25, 26 - пружины; 27,28 - рычаги

Построена математическая модель разработанной системы управления. Состояние системы описывается относительным изменением рабочего объёма иДО, либо относительным изменением площади сечения воздуховодов иД^. После анализа преобразования сигнала ошибки е,^) (см. рис.1), выданного регулятором (1) (см. рис. 2) в виде угла а^) в относительное изменение рабочего объёма иД^ либо относительное изменение площади сечения воздуховодов и^), получено уравнение

т8^+и^)=кее(1) (4)

ш

для случая управления рабочим объёмом насоса и уравнение

-т5^-и8(0=кее(0 (5)

для случая управления площадью сечения воздуховодов. Здесь ©((:)=——, где а0

а0

- значение угла а(У) в равновесном режиме (при ю = сс>о)- Коэффициенты Ке, Т5 определяются по формулам:

к^р Кщп^Ю

КззКпу,

где Ктп= —- ; К2з=к2к3; к] - длина рычага 2 (см. рис.2); Бю - начальное перемещение

плунжера 9 (см. рис.2); ть п, - расстояния, показанные на рис. 2; к2 — коэффициент, зависящий от перепада давления в гидролиниях; к3 - коэффициент зависящий от площади торца плунжера 9 или 22 (см. рис.2).

Выведена зависимость 0 (относительного изменения угла поворота рычага 2 изображённого на рис. 2) от относительного изменения угловой скорости ротора ветродвигателя у и относительного изменения скорости ветра \у. Эта зависимость имеет вид:

М1 = Куу(0-Кж2«(0, (6)

,, Зо)п ип

где Kv = —-, К..,,2 =--—, Ка - расстояние от точки давления лопасти анемометра

2<х0 211аао

до его оси вращения.

Уравнение (4) или (5) в совокупности с уравнением (6) описывают математическую модель рассматриваемой системы управления при регулировании рабочего объёма насоса или площади сечения воздуховодов.

Разработка автоматизированной системы циркуляции СОТС машиностроительного предприятия с комбинированным энергопитанием производилась путём замены системного и фильтрационного насосов автоматическими системами подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей или гидроприводом.

Схема разработанной автоматизированной системы циркуляции СОТС с комбинированным энергопитанием показана на рис. 3.

Итак, разработаны автоматические системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и различными приводами. Выведены уравнения для управляющих воздействий в зависимости от относительного изменения угла поворота рычага 2 изображённого на рис.2. Выведена также зависимость этого относительного изменения угла поворота от относительного изменения угловой скорости ротора ветродвигателя и относительного изменения скорости ветра.

Рисунок 3 - Схема автоматизированной системы циркуляции СОТС с комбинированным энергопитанием:

1 - системный насос; 2 - фильтрационный насос; 3 - ветронасосная установка с механической передачей в совокупности с системой управления, изображённой на рис. 3; 4 — чистовой бак; 5 — грязевой бак; 6 - полосовой фильтр; 7 - переливной клапан; 8,

10- выключатели; 9 - гидрораспределитель; 11 - рычаг системы управления, изображённой на рис. 3 ; 12 - переключатель; 13 - гидроаккумулятор; 14 - толкатель переменной длины; 15-ветронасоснаяустановка с гидравлическим приводом; а, б, в,

г, д - обратные клапаны;

Эти системы подачи жидкости включены в автоматизированную систему циркуляции СОТС с комбинированным энергопитанием. При малой скорости ветра для создания процесса циркуляции жидкости используются электродвигатели. Одновременно происходит зарядка пневматического гидроаккумулятора. После того, как аккумулятор зарядится, происходит его разрядка. При большой скорости ветра для создания процесса циркуляции жидкости используются ветронасосные установки.

При работе автоматизированной системы циркуляции СОТС в различных режимах происходит автоматическое управление рабочим объемом пластинчатого насоса ветронасосной установки с механической передачей или пластинчатого насоса гидропривода ветронасосной установки с гидроприводом, а также управление площадью сечения воздуховодов ветродвигателей.

В четвёртой главе проанализирована работа элемента сравнения, используемого в системах управления рабочим объёмом и площадью сечения воздуховодов автоматической системы подачи жидкости, а также произведены выбор и разработка средств гидроавтоматики, используемых в автоматизированной системе циркуляции СОТС машиностроительного предприятия. Произведён анализ систем управления рабочим объёмом насоса и площадью сечения воздуховодов автоматической системы подачи жидкости. Исследована устойчивость работы автоматической системы подачи жидкости в номинальном режиме при управлении рабочим объёмом пластинчатого насоса или площадью сечения воздуховодов.

При анализе работы элемента сравнения, используемого в системе управления рабочим объёмом и площадью сечения воздуховодов (названного регулятором), была определена связь между изменением радиуса анемометра и изменением радиусов колёс регулятора. Это позволяет изготавливать анемометр меньших размеров.

В основном средства гидроавтоматики и гидроаппаратура, необходимые в системе автоматического управления автоматизированной системы циркуляции СОТС, выбраны из существующих. Разработаны реле давления с двумя элементами сравнения с электрическим и гидравлическим выходами.

При анализе систем управления рабочим объёмом насоса и площадью сечения воздуховодов автоматической системы подачи жидкости установлено, что в случае управления рабочим объёмом регулируемого пластинчатого насоса автоматической системы подачи жидкости с применением ветронасосной установки задающим воздействием (см. рис.1) является одна треть угловой скорости анемометра

со., (Ч)/3; выходной величиной у^) является угловая скорость ротора ветродвигателя со(0; сигналом ошибки е,^) является величина Д ю(1) = ш(1)-—;

последовательным преобразующим элементом (ППЭ) являются гидрораспределитель 4 и гидрораспределитель 14 (см рис.2). Устройством управления является совокупность сервомотора 6, подвижного корпуса 8 регулируемого пластинчатого насоса 10 и рычага 11; управляющим воздействием и,,^) является изменение рабочего объёма насоса 10 и перемещение рычага 11 (см. рис. 2).

В случае управления площадью сечения воздуховодов ветродвигателя автоматической системы подачи жидкости с применением ветронасосной установки сигналом ошибки также является величина е,^) (см. рис.2). Последовательным преобразующим элементом (ППЭ) является совокупность гидрораспределителей 4 и 14 (см. рис. 3). Устройством управления является совокупность сервомотора 21 (см. рис. 3), гидроцилиндров ограничителя воздушного потока и самого ограничителя воздушного потока. Изменение положения ограничителя воздушного потока является управляющим воздействием и,,^).

В случае управления переключением приводов от ветродвигателя или электродвигателя автоматической системы подачи жидкости с применением ветронасосной установки имеется не один, а несколько элементов сравнения.

Только в переключателе 12 (см рис. 3) находятся два элемента сравнения.

Задающим воздействием g.,l для первого элемента сравнения является значение Рв давления в гидроаккумуляторе, а задающим воздействием §22 для второго элемента сравнения - значение Рн давления в гидроаккумуляторе; Р, и Р„ - это наибольшее и

наименьшее значения давлений в гидроаккумуляторе. Сигналы ошибки вычисляются по формулам:

где P(t) - текущее значение давления в гидроаккумуляторе, оно является в данном случае выходной величиной y2(t).

Если E2i(t)>0, то сигнал ошибки, выданный первым элементом сравнения, передаётся непосредственно устройству управления УУ21(см. рис.1). Устройством управления здесь является совокупность площадок контактов переключателя 12 (см рис. 3). Контакты размыкаются. Размыкание контактов является управляющим воздействием U,,(t). В результате электронасос автоматизированной системы циркуляции и регенерации СОТС отключается от электросети.

Если сигнал ошибки e2l(t)<0, то дальнейшие действия системы автоматического управления зависят от значения сигнала ошибки e22(t). При c22(t)>0 со стороны

элемента сравнения не оказывается никакого воздействия на систему. Контакты остаются разомкнутыми, если были до этого разомкнуты или остаются замкнутыми, если были до этого замкнутыми. При s,2(t)<0 второй элемент сравнения выдаёт сигнал ошибки в последовательный преобразующий элемент, который преобразуется в возможность сближения площадок контактов. Контакты замыкаются. Замыкание контактов является управляющим воздействием U22(t). В результате электронасос

подключается к электросети.

Имеются элементы сравнения и в выключателях 8 и 10 (см рис. 3). Рассматривать функционирование этих выключателей нет необходимости, т. к. оно в основном совпадает с функционированием переключателя 12.

Для выключателей 8 и 10 задающие воздействия, сигналы ошибки, устройства управления, управляющие воздействия на рис. 2 обозначены g23(t), g24(t), g23(t),

gM(t), e21(t), e24(t), e25(t), cjt), УУ23, УУ24, U23(t), U2J(t), U25(t), U26(t)

соответственно.

При управлении рабочим объёмом насоса математическая модель автоматической системы подачи жидкости описывается уравнениями (2), (4), (6):

Пусть скорость ветра постоянна. Тогда характеристическое уравнение системы (7) имеет вид:

e2l(t) = P(t)-P. e22(t) = P(t)-P„

(7)

ÄKyy(t)-Kw2W(t).

TTSA.3 + (т + Ts)>.2 + X + KyKuvKe = о.

Его коффициенты равны: a0=KyKuvKe; а!=1; cc2=T + Ts; a3=TTs.

Это характеристическое уравнение согласно алгоритму Рауса будет иметь корни лишь с отрицательными вещественными частями при выполнении условий:

1) все коэффициенты ао, а], , аз положительны;

2) а1а2>а0а3.

Эти условия являются необходимыми и достаточными условиями асимптотической устойчивости системы (7), т. е. работы автоматической системы подачи жидкости при постоянной скорости ветра.

Величины Т, Т5, Ку, К11У, К0 являются положительными. Следовательно,

коэффициенты ао, а), а2, а3 положительны, т. е. первое условие выполняется.

Для проверки выполнения второго условия вычислены значения величин Т , Т8,

Ку, Киу, Ке .

После подстановки вычисленных значений Т , Т5, Ку , , К0 второе условие принимает вид:

К-п >84

к, 4,566

">3 оч—-

и1 К

шп "-тл

Так как коэффициент К2з положителен, то выполняется ещё одно условие:

К23>0.

По последним двум условиям построены области устойчивости в плоскости параметров К2з и Ктп и проведён анализ влияния параметра к! на устойчивость системы подачи жидкости.

При управлении площадью сечения воздуховодов математическая модель автоматической системы подачи жидкости описывается уравнениями (3), (5), (6):

-Т8^-и5(0=КеО(0, (8)

Характеристическое уравнение системы (8) при постоянной скорости ветра имеет

вид:

ТТ5)? + (Т + Т5 )>2 + /. + К у К115 К 0 = 0.

Это характеристическое уравнение отличается от предыдущего лишь тем, что вместо К1|у присутствует Кш . После вычисления Кш и замены КиУ на Ки5 увидим, что первое условие устойчивости выполняется, т. к. коэффициенты а0, а], а2 , а3 остались положительными, а второе условие устойчивости примет вид:

„ Л1ИЯО К1 4>566

К,, > 43,648—4----—■.

к2

шп

Условие

не изменится.

К23>0

По последним двум условиям также построены области устойчивости в плоскости параметров К2з и Ктп и проведён анализ влияния параметра к] на устойчивость системы подачи жидкости.

Итак, проведён анализ работы регулятора, позволяющий уменьшать размеры анемометра за счет изменения соотношения диаметров колес. Уменьшение размеров анемометра позволяет уменьшать материалоёмкость автоматизированной системы циркуляции СОТС с комбинированным энергопитанием.

Большинство элементов автоматического управления выбраны среди существующих, т. к. эти средства гидроавтоматики полностью удовлетворяют требованиям, которые к ним предъявлялись при разработке автоматических систем подачи жидкости.

Разработан элемент, который обозначен в системе циркуляции как переключатель 12 (см. рис. 3). В соответствии с требованиями, предъявленными к нему, он обладает следующим свойством: подключает электродвигатель к электрической сети, когда давление в системе достигло нижнего уровня Рн, и отключает электродвигатель от электросети, когда давление в системе достигло высшего уровня Рв. На его основе были разработаны переключатели 8 и 10 (см. рис. 3).

Проведен анализ систем автоматического управления рабочим объёмом регулируемого пластинчатого насоса, площадью сечения воздуховодов ветродвигателя и переключением приводов автоматизированной системы циркуляции СОТС машиностроительного предприятия с комбинированным энергопитанием.

Установлены условия асимптотической устойчивости номинального режима работы автоматической системы подачи жидкости при управлении рабочим объёмом пластинчатого насоса или площадью сечения воздуховодов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена функциональная модель системы управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом, которая используется при разработке системы управления автоматической системы подачи жидкости.

2. Определены зависимости рабочего объема и давления регулируемого пластинчатого насоса от скорости ветра, а в случае использования ветронасосной установки с гидроприводом получена зависимость рабочего объема гидромотора от скорости ветра. Эти зависимости необходимы при проектировании системы.

3. Разработаны математическая модель и способ автоматического управления системой подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности. Это управление осуществляется путём регулирования угловой скорости вращения ротора ветродвигателя за счёт изменения рабочего объёма насоса или площади сечения воздуховодов. Получены уравнения зависимостей управляющих воздействий от сигнала ошибки.

4. Построена математическая модель автоматической системы подачи жидкости

при управлении рабочим объёмом насоса или площадью сечения воздуховодов и определены условия устойчивости работы системы в номинальном режиме.

5. Предложен новый ветродвигатель с автоматически регулируемыми лопастями по патенту на полезную модель № 0090042, применение которого в регионах с высокой среднегодовой скоростью ветра позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра.

6. Изготовлен и опробован в работе экспериментальный ветроагрегат. Он представляет собой ветронасосную установку мощностью 40-300 Вт при скорости ветра 5-10 м/с соответственно. Работа этого ветроагрегата показала, что при управлении рабочим объёмом насоса роторный ветродвигатель может использоваться даже при малой скорости ветра.

7. Разработаны автоматические системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механическим или гидравлическим приводами, использованные при разработке автоматизированной системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с комбинированным энергопитанием. Эта система предназначена для использования в технологических процессах машиностроительных предприятий с целью уменьшения себестоимости продукции предприятия за счет использования энергии ветра. Показано, что применение разработанной автоматизированной системы позволит снизить затраты на электроэнергию, используемую для обеспечения циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств, на 30-40%.

8. Результаты исследований переданы на автомобильный завод ОАО

«КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств и используются в учебном процессе Камской государственной инженерно-экономической академии.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Научные статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Фардеев, А. Р. Автоматизация процесса циркуляции жидкости с применением ветронасосной установки с механической передачей / Ф. Д. Байрамов, Н. С. Галимов, А. Р. Фардеев // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2007. - № 7. - С. 41-52.

2. Фардеев, А. Р. Анализ автоматической системы циркуляции жидкости с применением ветронасосной установки II Вестник ИжГТУ. - 2009. - №3. - С. 56-58.

Научные статьи и материалы докладов:

3. Автоматизация процесса циркуляции и регенерации смазывающе-охлаждающей жидкости машиностроительного предприятия с применением ветронасосных установок / А. Р. Фардеев [и др.] // Проектирование и исследование технических систем. Межвуз. научн. сб. — Наб. Челны: Изд-во КамПИ. - 2007. Вып. №10. - С. 54-61.

4. Фардеев, А. Р. Система ограничения воздушного потока в ветродвигателях, используемых в автоматизированной системе циркуляции жидкости // Социально-экономические и технические системы http://kampi.ru/sets. - 2008. -№3,- 6с.

5. Фардеев, А. Р. Функциональная модель системы автоматического управления технологическим процессом циркуляции жидкости с применением ветронасосных установок // Совремнные технологии в машиностроении: сборник статей XIII международной научно-практической конференции, Пенза, декабрь 2009 г. / АНОО «Приволжский Дом знаний» - Пенза, 2009. -С. 244-246.

6. Фардеев, А. Р. Автоматическое управление переключением ветро- и электроприводов насосов в технологическом процессе циркуляции смазочно-охлаждающих средств // Совремнные технологии в машиностроении : сборник статей XIII международной научно-практической конференции, Пенза, декабрь 2009 г. / АНОО «Приволжский Дом знаний» - Пенза, 2009. - С. 241-

7. Фардеев, А. Р. Патент на полезную модель № 0090042. Ветроэнергоустановка с автоматически регулируемыми лопастями / Ф. Д. Байрамов, Н. С. Галимов, А. Р. Фардеев // Бюллетень изобретений и полезных моделей. - 2009. - № 36.

8. Фардеев, А. Р. Устойчивость работы автоматической системы подачи жидкости, используемой в технологическом процессе циркуляции и регенерации смазочно-охлаждающих средств с применением ветронасосных установок // Социально-экономические и технические системы http://kampi.ru/sets. - 2010. - № 1 - 8 с.

9. Фардеев, А. Р. Система автоматического управления рабочим объёмом насоса или площадью сечения воздуховодов в технологическом процессе циркуляции жидкости с применением ветронасосных установок// Социально-экономические и технические системы http://kampi.ni/sets. - 2010. - № 1 .-6 с.

244.

Подписано в печать 20.05.10 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,0 Усл.-печ.л. 1,0 Тираж 100 экз.

Заказ 1820 Издательско-полиграфический центр Камской государственной инженерно-экономической академии

423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: ic@ineka.ru

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМА ЦИРКУЛЯЦИИ СОТС МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В НЕЙ ЭНЕРГИИ ВЕТРА.

1.1. Система циркуляции СОТС используемая на машиностроительных предприятиях.

1.2. Существующие ветродвигатели и ветроэнергетические установки.

1.3. Существующие способы автоматического управления работой ветродвигателей и ветроэнергетических установок.

1.4. Определение технических требований выбора ветродвигателя, привода и насоса для ветронасосной установки автоматической системы подачи жидкости.

1.5. Выбор ветродвигателя, привода и насоса для ветронасосной установки автоматической системы подачи жидкости.

1.5.1. Выбор ветродвигателя.

1.5.2. Выбор привода и насоса.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ.

2.1. Разработка функциональной модели системы управления автоматической системы подачи жидкости.

2.2 Разработка математической модели объекта управления автоматической системы подачи жидкости.

2.3. Анализ влияния изменения скорости ветра и количества потребителей на совместную работу ветронасосной установки с механической передачей и трубопровода.

2.4. Анализ влияния изменения скорости ветра и количества потребителей на совместную работу ветронасосной установки с гидроприводом и трубопровода.

2.5. Математическая модель объекта управления автоматической системы подачи жидкости при работе в равновесном режиме и определение зависимостей параметров ветронасосной установки от скорости ветра.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ПОДАЧИ И ЦИРКУЛЯЦИИ ЖИДКОСТИ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЭНЕРГОПИТАНИЕМ.

3.1. Функционирование автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей.

3.1.1. Разработка автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей.

3.1.2. Техническая реализация системы управления рабочим объёмом регулируемого пластинчатого насоса и площадью сечения воздуховодов ветронасосной установки автоматической системы подачи жидкости.

3.1.3. Математическая модель автоматического управления рабочим объёмом регулируемого пластинчатого насоса и площадью сечения воздуховодов системы подачи жидкости.

3.1.4. Система управления переключением приводов от ветродвигателя или электродвигателя автоматической системы подачи жидкости.

3.2. Функционирование автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и гидравлическим приводом.

3.3. Функционирование автоматизированной системы циркуляции СОТС машиностроительного предприятия с комбинированным энергопитанием.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЦИРКУЛЯЦИИ СОТС

4.1. Анализ работы элемента сравнения в системе управления рабочим объёмом насоса и площадью сечения воздуховодов.

4.2. Средства гидроавтоматики и гидроаппаратура, используемые в системе автоматического управления технологическим процессом циркуляции СОТС

4.3. Анализ работы систем автоматичесого управления рабочим объёмом насоса, площадью сечения воздуховодов и переключением приводов.

4.4. Определение условий асимптотической устойчивости номинального режима работы автоматической системы подачи жидкости.

4.5. Выводы.

Гидравлические системы управления являются одним из средств автоматизации и механизации производственных процессов в машиностроении Энергию жидкости, находящейся под давлением, используют для приведения в движение механизмов и машин, систем автоматического управления технологическими процессами. Но эффективность средств производства энергоносителя для гидросистем недостаточно высока. Сокращение затрат на процесс повышения давления жидкости возможно путём введения в этот процесс дешёвых, экологически чистых видов энергии и создания автоматических систем управления процессом повышения давления жидкости.

При механической обработке деталей происходит тепловыделение. Высокие температуры могут привести к уменьшению стойкости инструментов, снижению точности и качества обработки. Поэтому в зону обработки подают смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), которые уменьшают силы трения и отводят выделившееся тепло.

СОТС, применяемые при механической обработке для охлаждения и смазки, должны очищаться в большей или меньшей степени в зависимости от требуемой чистоты жидкости. Температура жидкости должна в случае необходимости поддерживаться на неизменном уровне. В противном случае не будет достигнута требуемая точность обработки (чистота поверхности, выдержка размеров).

Регенерация СОТС происходит путем их циркуляции через фильтры. Для обеспечения циркуляции применяются насосы. Насосы приводятся в движение электродвигателями, которые потребляют электроэнергию. Сокращение затрат на обеспечение циркуляции СОТС возможно путем использования в процессе циркуляции дешевых, экологически чистых, безопасных видов энергии и построения автоматических систем управления циркуляцией СОТС.

Современное машиностроение является мощным потребителем энергии. Для ее производства в основном используются невосполнимые природные ресурсы. При этом велики выбросы в атмосферу тепла, продуктов сгорания топлива. В связи с этим повышается актуальность применения в технологических процессах энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии. Одним из способов получения дешевой энергии является использование ветродвигателей. При транспортировке цена топлива возрастает. Дорого обходится строительство линий электропередач. Ветер же не нуждается в транспортировке. Использование ветродвигателей должно снизить потребление органического топлива.

До сих пор недостаточно изучены задачи управления работой ветродвигателя. Поэтому являются актуальными проблемы разработки автоматических систем управления технологическими процессами, содержащими ветродвигатели. Существует необходимость в совершенствовании и самого ветродвигателя.

Объектом исследования является система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия.

Предметом исследования является автоматизация процесса управления работой системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств с комбинированным энергопитанием.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия путём снижения энергозатрат за счет автоматизации процесса переключения ветро- и электроприводов насосов. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи: - разработать автоматизированную систему циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с применением комбинированных ветро- и электроприводов и систему её управления;

- разработать математические модели объекта и системы управления и исследовать область устойчивости работы системы при регулировании рабочего объёма пластинчатого насоса и площади сечения воздуховодов;

- разработать математическую модель взаимодействия регулируемого пластинчатого насоса системы и ветродвигателя;

- разработать способы автоматического поддержания работы ветродвигателя системы подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности ветрового потока.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, методы теории автоматического управления, гидропневмоавтоматики, гидравлики и гидроприводов, теории механизмов и машин, теоретической механики.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена корректным применением математических методов, согласованностью новых результатов с известыми положениями и результатами экспериментальных исследований. Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана функциональная модель системы управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом, отличающейся тем, что обеспечивается автоматическое переключение ветро- и электроприводов в зависимости от скорости ветра;

- разработана математическая модель автоматического управления системой подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности, отличающаяся тем, что регулирование угловой скорости вращения ротора ветродвигателя обеспечивается изменением рабочего объёма пластинчатого насоса либо изменением площади сечения воздуховодов;

- построена математическая модель автоматической системы подачи жидкости и установлена область устойчивости её работы при управлении рабочим объёмом насоса или площадью сечения воздуховодов.

Практическая ценность работы:

- разработана система управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом;

- разработаны автоматические системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей или гидроприводом, на основе которых разработана автоматизированная система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств, работающая как от электрической сети, так и от ветронасосной установки;

- предложен новый ветродвигатель с автоматически регулируемыми лопастями по патенту на полезную модель № 0090042, применение которого в регионах с высокой среднегодовой скоростью ветра позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра;

- изготовлен и опробован в работе экспериментальный образец ветроагрегата с роторным ветродвигателем. Работа этого ветроагрегата показала, что при управлении рабочим объёмом насоса роторный ветродвигатель можно использовать даже при малой скорости ветра;

- определены зависимости рабочего объема и давления регулируемого пластинчатого насоса от скорости ветра, а также зависимость рабочего объема гидромотора (в случае использования ветронасосной установки с гидроприводом) от скорости ветра, которые необходимы при проектировании системы.

Применение разработанной автоматизированной системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств обеспечивает существенную экономию электроэнергии машиностроительного предприятия.

Реализация результатов. Результаты исследований переданы на автомобильный завод ОАО «КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств и используются в учебном процессе Камской государственной инженерно-экономической академии.

Апробация работы. Полученные результаты обсуждались на V международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2007), VIII международном симпозиуме "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2007), XIII международной научно-практической конференции " Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 2009), а также на научных семинарах кафедры возобновляемых источников энергии и гидроэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (2007) и кафедры автоматизации и информационных технологий Камской государственной инженерно-экономической академии (2008-2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей, 2 из которых - в журналах, рекомендованных ВАК, 2 — обсуждались на международных конференциях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из принятых обозначений, введения, 4 глав, заключения и списка литературы; содержит 126 страниц машинописного текста, 44 рисунка, список литературы из 110 наименований и 3 приложения.

4.5. Выводы

При выборе элементов управления системы подачи жидкости были выработаны технические требования, согласно которым будут разрабатываться или выбираться из существующих элементы, используемые для автоматического управления работой системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей.

Регулятор должен обеспечить нейтральное положение некоторого своего элемента при выполнении условия (2.1). При нарушения этого условия указанный элемент должен перемещаться в ту или иную сторону. Это перемещение и будет сигналом ошибки.

Анемометр — это устройство для измерения скорости ветра. Его вал должен вращаться с угловой скоростью, при которой окружная скорость точки давления его лопасти равна скорости ветра. Целесообразно разработать анемометр малых размеров, чтобы снизить цену конструкции.

Гидрораспределитель 9 (см. рис. 3.1) должен обеспечить движение жидкости из входной гидролинии в ту или иную выходную гидролинию.

Обратные клапаны а, б, в (см. рис. 3.1) должны пропускать через себя жидкость только в одном направлении.

Предохранительный клапан 10 (см. рис. 3.1) должен сливать часть подачи в гидролинии низкого давления при повышении давления в системе выше некоторого уровня.

Переключатель 7 (см. рис. 3.1) должен отключать электродвигатель от электрической сети при достижении давлением в системе некоторого верхнего уровня. При достижении давлением в системе некоторого нижнего уровня переключатель 7 должен подключать электродвигатель к электрической сети.

Выключатели 4 и 8 (см. рис. 3.1) должны пропускать через себя жидкость после достижения давлением в системе некоторого верхнего уровня. После достижения давлением в системе некоторого нижнего уровня выключатели должны прекратить пропускать через себя жидкость.

Толкатель переменной длины 12 (см. рис. 3.1) должен иметь определенную (меньшую) длину при наименьшем давлении в системе и определенную (большую) длину при наибольшем давлении в системе.

Итак разработан регулятор, позволяющий уменьшать размеры анемометра за счет изменения соотношения диаметров колес. Уменьшение размеров анемометра позволяет уменьшать материалоёмкость автоматической системы циркуляции жидкости.

Среди существующих выбраны анемометр, гидрораспределитель, обратные клапаны, предохранительный клапан, толкатель переменной длины. Эти элементы полностью удовлетворяют требованиям, которые к ним предъявлялись при разработке автоматических систем циркуляции жидкости.

Элемент, который обозначен в системе подачи как переключатель 7 (см. рис. 3.1) должен обладать следующим свойством: подключать электродвигатель к электрической сети, когда давление в системе достигло нижнего уровня Рн, и отключать электродвигатель от электросети, когда давление в системе достигло высшего уровня Рв. Такой элемент удалось разработать. На его основе были разработаны переключатели 4 и 8 (см. рис. 3.1).

Проведен анализ автоматического управления работой системы циркуляции СОТС с комбинированным энегопитанием.

Установлены условия асимптотической устойчивости номинального режима работы автоматической системы подачи жидкости при управлении рабочим объёмом пластинчатого насоса или площадью сечения воздуховодов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В процессе решения поставленных задач выполнены следующие работы:

1. Предложена функциональная модель системы управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом, которая используется при разработке системы управления автоматической системы подачи жидкости.

2. Определены зависимости рабочего объема и давления регулируемого пластинчатого насоса от скорости ветра, а в случае использования ветронасосной установки с гидроприводом получена 'зависимость рабочего объема гидромотора от скорости ветра. Эти зависимости необходимы при проектировании системы.

3. Разработаны математическая модель и способ автоматического управления системой подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности. Это управление осуществляется путём регулирования угловой скорости вращения ротора ветродвигателя за счёт изменения рабочего объёма насоса или площади сечения воздуховодов. Получены уравнения зависимостей управляющих воздействий от сигнала ошибки.

4. Построена математическая модель автоматической системы подачи жидкости при управлении рабочим объёмом насоса или площадью сечения воздуховодов и определены условия устойчивости работы системы в номинальном режиме.

5. Предложен новый ветродвигатель с автоматически регулируемыми лопастями по патенту на полезную модель № 0090042, применение которого в регионах с высокой среднегодовой скоростью ветра позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра.

6. Изготовлен и опробован в работе экспериментальный ветроагрегат. Он представляет собой ветронасосную установку мощностью 40-300 Вт, при скорости ветра 5-10 м/с соответственно. Работа этого ветроагрегата показала, что при управлении рабочим объёмом насоса роторный ветродвигатель может использоваться даже при малой скорости ветра.

7. Разработаны автоматические системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механическим или гидравлическим приводами, использованные при разработке автоматизированной системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с комбинированным энергопитанием. Эта система предназначена для использования в технологических процессах машиностроительных предприятий с целью уменьшения себестоимости продукции предприятия за счет использования энергии ветра. Показано, что применение разработанной автоматизированной системы позволит снизить затраты на электроэнергию, используемую для обеспечения циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств на 30-40%.

8. Результаты исследований переданы на автомобильный завод ОАО «КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств и используются в учебном процессе Камской государственной инженерно-экономической академии.

1. Абрамов, Е. И. Элементы гидропривода: Справочник. 2-е изд., перераб. / Е. И. Абрамов, К. А. Колесниченко, В. Т. Маслов. Киев : Техника, 1977. -320 с.

2. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю. М. Соломенцев и др. М. : Машиностроение, 1980. — 536 с.

3. Анхимюк, В. JI. Теория автоматического управления / Анхимюк В. JI. -Минск : Вышэйшая школа, 1979. 351 с.

4. Артоболевский, И. И. Теория механизмов и машин / Артоболевский И. И. — М.: Наука, 1988.-640 с.

5. Байрамов, Ф. Д. О ветроустановках / Ф. Д. Байрамов, Н. С. Галимов // Механика машиностроения : материалы Международной научно-технической конференции, Набережные Челны, 1999 г. / Камский политехнический институт. Набережные Челны, 1999. - С. 62-63.

6. Байрамов, Ф. Д. О ветроэнергетике / Ф. Д. Байрамов, Н. С. Галимов. //

7. Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья : материалы симпозиума, Набережные Челны, 2001 г. / Камский политехнический институт. — Набережные Челны, 2001. — С. 73-76.

8. Байрамов, Ф. Д. Определение максимальной мощности ветроустановки / Ф.

9. Д. Байрамов, Н. С. Галимов // Проектирование и исследование технических систем : Межвузовский научный сборник / Камский политехнический институт. Набережные Челны, 2002. — С. 115-117.

10. Байрамов, Ф. Д. Анализ совместной работы ветронасосной установки и трубопровода / Ф. Д. Байрамов, Н. С. Галимов, А. Р. Фардеев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008. - № 9-10. - С. 126-129.

11. Башта, Т. М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика / Башта Т. М. — М. : Машиностроение, 1972. 320 с.

12. Башта, Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем / Башта Т. М. — М. : Машиностроение, 1974. — 606 с.

13. Безруких, П. П. Ветроэнергетика Европы — аргумент для России // Деловой мир. 1996. - 21 мая. - С. 5.

14. Безруких, П. П. Состояние и тенденции развития ветроэнергетики мира // Электрические станции. 1998. - №10. — С. 58-61.

15. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического регулирования / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. М. : Наука, 1972. — 768 с.

16. Богданович, JI. Б. Объемные гидроприводы: Вопросы проектирования / Богданович JI. Б. Киев : Техника, 1971. - 156 с.

17. Бойчук, JI. М. Метод структурного синтеза нелинейных систем автоматического управления / Бойчук JI. М. Киев : Энергия, 1971. — 113 с.

18. Бойчук, JI. М. Оптимальные системы автоматического регулирования / Бойчук JI. М. Киев : Энергия, 1965. — 82 с.

19. Васильевская, А. Г. Запрягая ветер // Инженер. 2002. - №1. - С. 11.

20. Ветроэнергетика / Под редакцией Де Рензо; перевод с английского. В. В Зубарева и М.О. Франкфурта. М. : Энергоатомиздат, 1982. - 271 с.

21. Воронов, А. А. Теория автоматического управления / Воронов А. А. М. : Высшая школа, 1986. - 368 с.

22. Галимов, Н. С. Информационные устройства автоматики: Монография / Галимов Н. С. -Набережные Челны : КамПИ, 2002. -215 с.

23. Гамынин, Н. С. Гидравлический привод систем управления / Гамынин Н. С. М. : Машиностроение, 1972. — 376 с.

24. Гидравлика, гидромапшны и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т. М. Башта и др.. М. : Машиностроение, 1982. - 423 с.

25. Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Объёмные гидро- и пневмомашины и передачи / Под редакцией В. В. Гуськова. -Минск : Вышэйшая школа, 1987. 310 с.

26. Денисов, А. А. Теория больших систем управления : Учебн. пособие для вузов / А. А. Денисов, Д. Н. Колесников. JI. : Энергоиздат, 1982. - 288 с.

27. Долгачёв, Ф. М. Основы гидравлики и гидропривод / Ф. М. Долгачёв, В. С. Лейко -М.: Стройиздат, 1981. 183 с.

28. Думлер, С. А. Управление производством и кибернетика / Думлер С. А. -М. : Машиностроение, 1969. 323 с.

29. Дурнов, Г. И. Насосы, вентиляторы, компрессоры / Дурнов Г. И. Киев; Одесса : Вища шк., 1985. - 262 с.

30. Егоров, К. В. Основы теории автоматического регулирования: Учебн. пособие для вузов / Егоров К. В. М.: Энергия, 1967. — 648 с.

31. Ерофеев, А. А. Теория автоматического управления / Ерофеев А. А. СПб. : Политехника, 2001. - 302 с.

32. Зайченко, И. 3. Методы расчета механизмов регулирования подачи пластинчатых насосов для гидроприводов машин // Вестник машиностроения. — 1984. № 10. — С. 17-21.

33. Зайченко, И. 3., Пластинчатые насосы и гидромоторы / И. 3. Зайченко, JI. М Мышлевский М. : Машиностроение, 1970.-231 с.

34. Зимодро, А. Ф. Основы автоматики / А. Ф. Зимодро, Г. JI. Скибинский — JI. : Энергоатомиздат, 1984. 160 с.

35. Зубарев, В. В. Использование энергии ветра в районах севера / Зубарев В. В. Л. : Наука, 1989. - С. 6-34.

36. Иванов, М. Н. Детали машин / Иванов М. Н. М. : Высшая школа, 1991. — 383 с.

37. Иващенко, Н. Н. Автоматическое регулирование / Иващенко Н. Н. М. : Машиностроение, 1978. - 736 с.

38. Каминский, М. Л. Монтаж приборов и систем автоматизации / М. Л. Каминский, В. М. Каминский М. : Высшая школа, 1988. — 296 с.

39. Карасев, Б. В. Насосные и воздуходувные станции / Карасев Б. В. — Минск : Вышэйшая школа, 1990. 326 с.

40. Киселев, П. Г. Гидравлика / Киселев П. Г. М. : Энергия, 1980. - 360 с.

41. Кондаков, Л. А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем / Кондаков Л. А. М. : Машиностроение, 1982. - 217 с.

42. Копылов, И. П. Безредукторные ветроагрегаты / И. П. Копылов, Т. В. Лядова // Сборник научных трудов Гидропроекта. 1988. - Вып. 129 : Ветроэнергетические станции. - С. 170-174.

43. Коротаев, Э. И. Автоматизация управления в технологических системах / Э. И. Коротаев, А. В. Кутышкин, А. Г. Схиртладзе. — Барнаул : Алтайский ГТУ, 1996.-187 с.

44. Коротаев, Э. И. Автоматика линейных систем в машиностроении / Э. И. Коротаев, А. В. Кутышкин, А. Г. Схиртладзе. Барнаул : Алтайский ГТУ, 1995.-188 с.

45. Крайнев, А. Ф. Словарь-справочник по механизмам / Крайнев А. Ф. — М. : Машиностроение, 1987. 560 с.

46. Краснов, Н. Ф. Основы прикладной аэродинамики. В 2 кн. Кн. 1 Аэродинамика крыла (профиля), корпуса и их комбинаций / Н. Ф.Краснов, Е. Э.Боровский, А. И. Хлупнов М. : Высшая школа, 1990. - 336 с.

47. Красовский, А. А. Модульные ветроэнергетические установки с управляя-емым колебательным рабочим движением — путь решения энергетических проблем // Теория и системы управления. — 2001. №6. — С. 145-151.

48. Красовский, А. А. Синтез автоколебательных систем с приложением к ветроэнергетической установке нового класса // Техническая кибернетика. -1994.-№6.-С.5-15.

49. Крассов, И. М. Гидравлические элементы в системах управления / Крассов И. М. М. : Машиностроение, 1967. - 255 с.

50. Крючков, А. Д. Автоматизация поршневых компрессоров / Крючков А. Д.

51. JI. : Машино-строение, 1972. — 232 с.

52. Куликовский, JI. Ф. Теоретические основы информационных процессов / JT. Ф. Куликовский, В. В. Мотов М. : Высшая школа, 1987. - 248 с.

53. Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу / Под общ. редакцией Я. М. Вильнера. Минск : Вышэйшая школа, 1980. — 224 с.

54. Литвин-Седой, М. 3. Гидравлический привод в системах автоматики / Литвин-Седой М. 3. М. : Машгиз, 1956. - 312 с.

55. Лятхер, В. М. Перспективы и направления работ по созданию мощных ветровых электростанций // Сборник научных трудов Гидропроекта. — 1988.

56. Вып. 129 : Ветроэнергетические станции. — С. 5-22.

57. Лятхер, В. М. Аэродинамика ортогональных ветроагрегатов / В. М. Лятхер, Ю. Б. Шполянский // Сборник научных трудов Гидропроекта. — 1988. — Вып. 129 : Ветроэнергетические станции. С. 113-127.

58. Машиностроительный гидропривод / JI. А. Кондаков и др.; Под редакцией В. Н. Прокофьева. М. : Машиностроение, 1978. — 495 с.

59. Моль, Р. Гидропневмоавтоматика: Пер. с франц. / Моль Р. М. : Машиностроение, 1975. - 352 с.

60. Морозов С. Ф. Сравнительные характеристики параметров опорно-ходовых узлов ВЭУ типа ВЛ-МЛП / С. Ф. Морозов, Ю. И. Сазонов, В. И. Чугунов // Сборник научных трудов Гидропроекта; Вып. №129: Ветроэнергетические станции. 1988. - С. 162-169.

61. Навроцкий, К. Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов / Навроцкий К. Л. — М. : Машиностроение, 1991. 384 с.

62. Надежность объемных гидроприводов и их элементов / Ю. А. Беленков и др.. М. : Машиностроение, 1977. - 167 с.

63. Никитин, Н. Н. Курс теоретической механики / Никитин Н. Н. М. : Высшая школа, 1990. - 608 с.

64. Никитин, О. Ф. Объемные гидравлические и пневматические приводы / О. Ф. Никитин, К. М. Холин. М. : Машиностроение, 1981.-267 с.

65. Осипов, А. Ф. Объемные гидравлические машины. Основы теории и расчет гидродинамических и тепловых процессов / Осипов А. Ф. М. : Машиностроение, 1966. - 160 с.

66. Основы автоматизации управления производством: Учебн. пособие для вузов / И. М. Макаров и др.: Под общ. редакцией И. М. Макарова. — М. : Высшая школа, 1983. — 504 с.

67. Основы теории и конструирования объемных гидропередач / А. В. Кулагин и др. М. : Высшая школа, 1967. - 400 с.

68. Первозванский, А. А. Курс теории автоматического управления / Перво-званский А. А. — М.: Наука, 1986. — 616 с.

69. Пискунов, Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления / Пискунов Н. С. М.: Наука, 1972. - 576 с.

70. Поляков, В. С. Справочник по муфтам / В. С. Поляков, И. Д. Барбаш, О. А. Вяховский. — Л. : Машиностроение, 1974. — 347 с.

71. Попкович, Г. С. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения / Г. С. Попкович, М. А. Гордеев. — М. : Высшая школа. 1986. — 392 с.

72. Попкович, Г. С. Автоматизация систем водоснабжения и канализации / Г. С. Попкович, А. А. Кузьмин М. : Стройиздат, 1983. - 151 с.

73. Прохорова, А. А. Ветер перемен: Ветроэнергетическое оборудование // Оборудование: рынок, предложение, цены (приложение к журналу Эксперт). -2001. №1. -С.54-56.

74. Попов, Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем / Попов Д. Н. М. : Машиностроение, 1976. — 424 с.

75. Попов, Е. П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления / Попов Е. П. М. : Наука, 1989. - 304 с.

76. Попов, Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления / Попов Е. П. М. : Наука, 1988. - 256 с.

77. Растригин, JI. А. Современные принципы управления сложными объектами / Растригин Л. А. М. : Сов. Радио, 1980. - 232 с.

78. Решетов, Л. Н. Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник / Решетов Л. Н. М. : Машиностроение, 1991. - 284 с.

79. Руденко, А. А. Альтернативные источники энергии // Инженер. 2002. -№2. - С.27.

80. Скрицкий, В. А. Эксплуатация промышленных гидроприводов / В. А. Скрицкий, В. А. Рокшевский М. : Машиностроение, 1984. - 176 с.

81. Соломенцев, Ю. М. Управление гибкими производственными системами / Ю. М. Соломенцев, В. Л. Сосонкин. -М. : Машиностроение, 1988. 352 с.

82. Стрелков, С. П. Механика / Стрелков С. П. М. : Наука, 1975. - 560 с.

83. Темный, В. П. Основы гидроавтоматики / Темный В. П. — М.: Наука, 1972. -224 с.

84. Терган, В. С. Основы автоматизации производства / В. С. Терган, И. Б. Андреев, Б. С. Либерман. М. : Машиностроение, 1982. - 270 с.

85. Теория автоматического управления / Под редакцией Ю. М. Соломенцева. М.: Высшая школа, 1984. — 268 с.

86. Технологические автоматизированные системы механической обработки. / А. Г. Схиртладзе и др.. Пенза : ПГТУ, 1998. - 207 с.

87. Ульянеев, Е. Е. Альтернативные источники энергии // Инженер. 2002. -№2. -С. 27.

88. Управление технологическими системами / В. Н. Брюханов и др.. — Тверь : Тв ГТУ, 1995.-264 с.

89. Управление технологическими системами в машиностроении / И. В. Абрамов и др.. Ижевск : Иж ГТУ, 1995. - 305 с.

90. Фардеев, А. Р. Автоматизация процесса циркуляции жидкости с применением ветронасосной установки с механической передачей / Ф. Д. Байрамов, Н. С. Галимов, А. Р. Фардеев // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2007. - № 7. - С. 41-52.

91. Фардеев, А. Р. Анализ автоматической системы циркуляции жидкости с применением ветронасосной установки // Вестник ИжГТУ. — 2009. №3. — С. 56-58.

92. Фардеев, А. Р. Патент на полезную модель № 0090042. Ветроэнерго-установка с автоматически регулируемыми лопастями / Ф. Д. Байрамов, Н. С. Галимов, А. Р. Фардеев // Бюллетень изобретений и полезных моделей;2009.-№36.-С.

93. Хайруллин, Р. Г. Перспективы развития ветроэнергетики в климатических условиях Республики Татарстан / Р. Г. Хайруллин, Р. С. Абдрахманов. — Казань: 1997.-С.3-32.

94. Черкасский, В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры / Черкасский В. М. -М.: Энергоатомиздат, 1984.— 415 с.

95. Черный, Г. Г. Газовая динамика / Черный Г. Г. М. : Наука, 1988. - 424 с.

96. Чупраков, Ю. И. Гидропривод и средства гидроавтоматики / Чупраков Ю. И. -М. : Машиностроение, 1979. 232 с.

97. Чупраков, Ю. И. Основы гидро- и пневмоприводов / Чупраков Ю. И. М.: Машиностроение, 1966. - 160 с.

98. Шефтер, Я. И. Ветроэнергетические агрегаты / Шефтер Я. И. М. : Машиностроение, 1972.-288 с.

99. Юшкин, В. В. Основы расчёта объёмного гидропривода / Юшкин В. В. — Минск : Вышейшая школа, 1982. — 91 с.