автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров многофункционального электропривода универсального электрифицированного агрегата для приусадебных и фермерских хозяйств

<ч> .л

На правах рукописи

ТРУШКИН Владимир Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО АГРЕГАТА ДЛЯ ПРИУСАДЕБНЫХ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ

Специальность 05.20.02. - электрификация сельскохозяйственного

производства

Автореферат

На соискание ученой степени кандидата технических наук

САРАТОВ 1999

Работа выполнена в Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Ерошенко Г.П. Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Угаров Г.Г. — кандидат технических наук, доцент Костюк В.И.

Ведущая организация — Саратовское акционерное

общество закрытого типа «Агромпромэнерго»

Защита состоится « м> декабря 1999г. в /2 час, на заседании диссертационного совета К120.72.05. в Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова по адресу: 410600, г. Саратов, ул. Советская 60, СГАУ.

Автореферат разослан ноября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Волосевич Н.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В приусадебных и фермерских хозяйствах, а также дачных участках производится значительный объем с.х. продукции, достигающий 30% от общефедералыюго объема. Переход к рыночным отношениям и затянувшийся экономический кризис стимулируют расширение производства продукции не только для личного потребления, но и для реализации в торговле.

Однако производство с.х. продукции, в отмеченных хозяйствах, остается особенно трудоемким. Доля ручного' труда доходит до 90%.

Установлено, что применение средств механизации позволяет сократить затраты труда в 3-5 раза, а производительность работ повысить в 10-20 раз. В нашей стране налажен выпуск малогабаритной техники для работ в полеводстве, но их реальная обеспеченность составляет 15%.

Более успешно идет электрификация отдельных силовых процессов. За последние годы получили спрос электрифицированные машины для механизации работ в полеводстве и подсобном хозяйстве.

В личных подсобных хозяйствах в течении года выполняется около 20 технологических операций по производству продукции животноводства и плодоовощево детва, по ремонту строений и техники. Известно, что электрификация таких процессов идет по пути применения индивидуального электропривода. Если применять такой подход, то в каждом ЛПХ потребуется до 30 электроприводов,-что потребует громадных инвестиций. Другое направление — применение многофункциональных электроприводов, в которых один электродвигатель обслуживает несколько рабочих m;iiiiiifi, в

различные несовпадающие периоды суток или сезона. Этот путь дает существенные преимущества и может быть принят за основное направление развития электрификации сельского подворья.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования малогабаритной техники для фермерских и приусадебных хозяйств за счет разработки и обоснования параметров многофункционального электропривода (МФЭ) универсального электрифицированного агрегата (УЭА).

Для реализации поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Исследовать технологические'основы применения УЭА.

2. Определить и обосновать параметры МФЭ но критерию производительности. _

3. Разработать и обосновать теоретические основы выбора мощности МФЭ.

4. Разработать и обосновать схему управления МФЭ.

5. Разработать и обосновать параметры кабельной сети питания УЭА.

6. Экспериментально проверить работоспособность УЭА и теоретические положения.

Объект исследования. Объектом исследования МФЭ служит обобщеиная система состоящая из электродвигателя, пускошцитной аппаратура и кабельной сети.

Ппсдмуг исследования. Предметом исследования являются электромеханические процессы происходящие при работе МФЭ.

Методы исследования. Теоретическое исследование выполнено на основе системного подхода с использованием теории эксплуатации электрооборудования, методов математического анализа и теории вероятностей. .

Научная »»шина;

1. Выведено аналитическое описание обобщенного годового графика нагрузок МФЭ, учитывающее неравномерность загрузки в течении года.

2. Выявлена оптимальная зависимость между производительностью УЭА и моптостью МФЭ по критерию наибольшей дневной выработки.

3. Установлена закономерность формирования оптимальных интервалов нагручок электродвигателей для МФЭ.

4. Предложено учитывать влияние неопределенных факторов годовой занятости н нагрузки при выборе мощности электродвигателей для МФЭ.

Практическая ценность работы. Разработан и создан универсальный электрифицированный агрегат для механизации работ в приусадебных и фермерских хозяйствах.

Применение УЭА в производственных условиях позволило получить годовой экономический эффект в размере 1516.7 руб., снижение себестоимости продукции на 33.5%.

Реализация результатов исследований. Разработанный универсальный электрифицированный агрегат (УЭА - 1,5) прошел производственную проверку в фермерском хозяйстве «Октябрь» Уметского района. Тамбовской области (20 апреля 1998г — 10 октября 1999г).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях Саратовского ГАУ им. НИ. Вавилова (1997 - 1999гг).Эксперкментальные образцы демонстрировались на областных выставках в г. Саратове «Сад-Огород» (1997г), «Осенний сад» (1998г), «Сельхозпереработка» (1999г), на специализированной выставке, посвященной 275-летню

ь

Российской Академии наук «Саратовская наука губернии и России» (1999г).

Публикации. Основное содержание работ отражено в четырех печатных трудах.

Структура н объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 107 источников, и приложений. Объем работы без приложений составляет 144 страницы машинописного текста,- содержит 30 рисунков и 27 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, указана ее научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на 1 защиту, приведены сведения об апробации и публикации основных результатов работ.

В червой главе приведен анализ современного состояния электромеханизации сельского подворья. Рассмотрена структура технологических операций, выполняемых в приусадебных и фермерских хозяйствах в течении года.

Сделан обзор средств малой механизации, выпускаемых промышленностью страны и странами ближнего и дальнего зарубежья. Приведены основные технические характеристики малогабаритной техники.

Проведен статистический анализ потребности на данную технику, который показал, что спрос превышает производство более чем на 50%.

Для решения поставленных задач были рассмотрены пути развития электроприводов стационарных машин и мобильных

агрегатов для механизации работ сельского подворья. Приведен анализ традиционных методов расчета и выбора мощности электродвигателя при различных режимах работы. Особое внимание уделено методам расчета электроприводов работающих со случайной нагрузкой. Исследованию случайной нагрузки посвящены работы Мусина A.M., Ерошенко Г.П., Гайдукевича В.П., Славин Р. М., Мартыненко И.И. Калыкова Б.Р. и др. авторов.

Проведен анализ аварийных режимов работы электроприводов при различном характере нагрузки и основных устройств защиты от характерных аварийных режимов.

Проведенный обзор позволил уточнить научные проблемы разработки МФЭ и сформулировать научные задачи, решению которых и посвящена данная работа.

Во второй главе обоснованы технологические основы применения УЭА. Анализ календарного графика выполнения технологических операций на приусадебных хозяйствах позволил сделать вывод о целесообразности разработки УЭА для выполнения: вспашки, боронования, фрезерования, окучивания, транспортировки, привода циркулярной пилы, привода насоса. Исследования суточных и годовых графиков нагрузок (рисЛ.) показали, что для индивидуального электропривода любой график можно свести к типовому и определить мощность электродвигателя известным методом. В многофункциональном варианте имеется семейство графиков, отличающихся по мощности и продолжительности. Применение известных методов не гарантирует правильный выбор электродвигателя.

ГП If

я-

о)

к>

Рис. I. Суточные и годовые графики нагрузок индивидуального (а) и многофункционального (б) электроприводов.

Для разработки метода выбора двигателя к МФЭ необходимо учесть переменный характер годового графика нагрузки н обосновать критерии выбора.

Дня дальнейшего изучения МФЭ годовой график был представлен в форме ступенчатой упорядоченной диаграммы (рис. 2.а.), которая с достаточной точностью заменяется огибающей. Все возможные варианты можно описать кривыми 1,2,3 (рис. 2.6 ).

Ртлх

Р,

Рг

Pi

Рт*

/гид.мсс

Рис. 2. Расчетные ступенчатые (а) и непрерывные (б) упорядоченные годовые графики нагрузок.

Аналитическое описание обобщенного графика принимается в

виде:

р = Р ~(Р -Р М(/ТУ

' I max V* max * min '\l 1 ' п > .

где Рта, , Гт„, - наибольшая и наименьшая нагрузка, Т„ -базовая годовая занятость, о) - коэффициент неравномерности (при О) - 1 - линейный график по огибающей 2; при (О > 1 по огибающей I; при a) < I по огибающей 3; при (О = 0 - равномерный график).

Для построения и аналитического описания годового графика используются данные о занятости УЭА и мощности, потребляемой на каждой операции.

Следующим этапом решения поставленных задач являлось определение параметров УЭА по критерию производительности, исследования зависимости производительности УЭА от его' мощности, а следовательно и его массы, позволили сделать вывод о том, что по критерию производительности УЭА имеет оптимальную мощность.

На основании проведенных расчетов были выведены следующие уравнения оптимальной мощности (2) и производительности (3) УЭА:

Ро = ф/Ь(\+а), (2)

где b Т0 / Тс - доля отдыха при Р П, а • коэффициент чувствительности продолжительности отдыха к изменению мощности УЭА.

По = ф/Ь(\ +а)(1-1/(1+сг)), (3)

Полученные зависимости подтвердили гипотезу об оптимальной мощности универсального агрегата. Эта мощность зависит лишь от физических способностей оператора.

Эффективность применения УЭА может быть оценена различными критериями. Подробное изучение этой проблемы, выполненное P.M. Славиным, показало, что полным .п универсальным критерием служат удельные эксплуатационные затраты, определяемые как отношение суммарных годовых приведенных затрат 3. к годовому потреблению электроэнергии Ну

3 - 3,/И', (4)

Для изучения МФЭ все статьи эксплуатационных затрат были сгруппированы в три эксплуатационные характеристики, в форме удельных затрат:

I, (5)

Зщ " Зки ' ^ '

где Зм - годовые отчисления; 3*«., Уп, - годовая стоимость потерь холостого хода и короткого замыкания.

Б последующих расчетах все составляющие удельных затрат выражались через управляемые и не управляемые параметры, учитывая переменный график работы. Вместе с тем в .этих уравнениях впервые используется эквивалентное (интегральное) значение коэффициента загрузки (у?,) и годового потребления электроэнергии.

Тн-

рэ=\Р1{1)сИ1Рн (6)

г»

УУг -

(7)

Проведенные преобрабразовання дали месте искомые эксплуатационные характеристики МФЭ:

з0 а„ рт' (1 + й>) /(Кф + со)

зК1 ца„Р»1 -

2 Кф Кф+о)

-{2Кф + а>-1)/(Кф+со) ^

(8)

гдьаа-АЕИ + Ем)К1РИТи, =((1-7)/7ХЯ/(1+Л)); акз = (С ~ '/V'Ж' '(1 + Л-)); /?„= наибольший коэффициент загрузки; Кф - коэффициент формы Графика НагруЗКИ (Кф" Рщах'РттУ, *], Л-КПД и отношение потерь для электродвигателя мощностью Р.. .

По уравнениям (8) построены эксплуатационные характеристики потерь электродвигателя 4Л80В4УЗ; /'„ - 1,5 кВт (рис. 3). Анализ кривых и уравнений (8) позволил сделать вывод, что потери холостого хода больше потерь короткого замыкания почти во всем диапазоне нагрузок. По мере.отступления годового графика от равномерного вида оптимальная нагрузка увеличивается. При резкой неравномерности (Кф<0,5; го >1,0) оптимум может быть достигнут при резкой перегрузке электродвигателя.

J-Z&H

0JI

o.t

Ofil

ш

о.сн,

Dai

о

qt аг дл а* а* о.ь аг <?* о.д со а) .

a to

йОк

ос*

оаг о

01 аг а» а* аз ее от сл ое ш (.<¿Ьае

Рис. 3. Влияние загрузки электродвигателя на удельные затраты при различной неравномерности (а) и форме (б) годового графика.

Детальное исследование функции цели в области оптимальной нагрузки показало, что при отступлении от оптимума удельные затраты изменяются медленно. Чтобы сохранить увеличение затрат на 5% нагрузка может отступать от оптимума на ±40%. Здесь правомерно говорить не об оптимальной нагрузке, а об оптимальном диапазоне нагрузок. В работах Г. П. Ерошенко такой подход использован для индивидуального электропривода. Применительно для МФЭ эта задача состоит в том, чтобы рассчитать и построить совместно кривые изменения • удельных затрат для всех типоразмеров в функции нагрузки двигателей, С учетом неравномерности годового графика нагрузки. Точки пересечения кривых для двух смежных двигателей определяют границы интервалов оптимальных нагрузок. Для построения кривых использованы уравнения (7) и паспортные данные для двигателей серии 4А. Расчеты выполнены на ЭВМ и представлены графически.

'Полученные результаты свидетельствуют о резком влиянии неравномерности и формы годового графика нагрузки на оптимальные интервалы нагрузки двигателей. Принимая за основу равномерный график (/^<1,0; ft> ¿ 1,0) получаем, что при неизменной форме графика (w = consl)

снижение т.е.

уменьшение /'„,„ , резко сдвигает интервалы в сторону больших нагрузок. Так, для двигателя мощностью 1,5 кВт, при использовании с постоянной нагрузкой Кф = 1,0, интервал равен 1,0 - 1,4 кВт, а при Кф = 0,5 он составляет 1,3 - 1,7 кВт. При этом удельные затраты увеличиваются лишь с 0,09 до 0,10 руб/кВт.ч. Для двигателей большей мощности такая тенденция сохраняется, но относительный сдвиг интервалов уменьшается: для мощности 1,5 кВт он составляет 25-30%, для мощности 4,9 кВт - 8-10%.

Форма графика влияет на интервалы более сложным образом образом. Если принять за базу сравнения линейную форму (ш=1),

то при уменьшении а> - интервалы сдвигаются в сторону больших нагрузок на 15-30%, а при увеличении а - в сторону меньших нагрузок на 6-11 %.

Эти закономерности объясняются тем, что при снижении Кф и со уменьшается полезное годовое потребление электроэнергии, но сохраняются годовые потехи холостого хода. Все это увеличивает удельные эксплуатационные затраты и с экономических позиций для ограничения их роста требуется перегружать двигатель.

Анализ расчетов и закономерностей изменения удельных затрат при разных сочетаниях всех управляемых факторов позволил рекомендовать оптимальные результаты нагрузок электродвигателей для МФЭ, которые представлены в таблице 1. При составлении таблицы учтено, что наибольшей мощности (пахота или фрезерование почвы) нагрузка имеет случайный характер.' Для выбора электродвигателя необходимо учитывать среднюю нагрузку рабочего органа. Если она укладывается в рекомендуемый интервал, то обеспечивается механическая и термическая устойчивость, если нагрузка больше верхней границы интервала, то необходимо проверить механическую и термическую устойчивость.

Таблица 1.

Оптимальные интервалы нагрузок электродвигателей для МФЭ

Интервалы нагрузок

Мощность, 0.8 Кф < 0.8

КВт (0^1.0 ю<1.0 <о£1.0 со<0

1.5 1.0 - 1.3 1.1-1.6 1.1 - 1.5 1.2 - 1.7

2.2 1.4 - 2.0 . 1.6 - 2.2 1.5-2.2 1.7 - 2.5

3.0 2.1 - 2.8 2.2 -3.0 2.1 -3.0 2.5 -3.5

4.0 2.2 - 3.8 3.1-4.1 3.0-4.0 3.5 - 4.6

5.5 3.9 - 5.3 4.1 - 5.6 4.0 - 5.5 4.6 - 5.7

В методике исследований принято, что изучение детерминированной функции цели — это первый этап, а второй — учет неопределенностей. К Ним относятся: годовой график занятости; нагрузочные диаграммы рабочих машин; стоимостные показатели МФЭ.

Неопределенность годовой занятости' состоит в том, что для каждого отдельного УЭА продолжительность выполнения той или иной функции заранее неизвестна. Можно ожидать широкие колебания продолжительности из года в год, от агрегата к агрегату. Здесь следует ориентироваться на критерий гарантированного результата, т.е. принимать такое решение, которое обеспечивает наилучшую эффективность УЭА при наихудших условиях. Это несложно сделать, т.к. в нашей модели (1) легко учесть разные варианты графиков занятости за счет вариации а и Кф.

.Анализ режимов работы УЭА позволил сделать вывод, что МФЭ имеет случайный характер нагрузки при пахоте и фрезеровании почвы. Непостоянство нагрузки обуславливается множеством факторов, которые можно разбить на три группы:

1. Факторы меняющиеся или во время работы, илй при перемене места ее выполнения;

2. • Случайные факторы вызванные конструктивными

особенностями рабочих органов;

3. Случайные факторы возникающие и>за особенностей работы оператора.

Каждая группа факторов формирует колебания нагрузки с определенной частотой.

Для учета случайной нагрузки при определении оптимальных интервалов достаточно в каждое слагаемое целевой функции ввести поправочные коэффициенты. Новое уравнение в средних значениях получает вид:

3 = 3o£i + ЗххС2 + 3™e3 . (9)

где Ei=E2=l+V2p; e,=l; Jo, J\x, з„— средние значения удельных затрат по уравнению (8), Vp — коэффициент вариации нагрузки.

Для решения задачи компоновки УЭА была разработана схема зашиты и управления МФЭ (рис. А..). На основании анализа назначения и отдельных функций УЭА были выявлены основные требования к схеме управления и защиты. За основу выбора устройств защиты (УЗ) были взяты работы Г.П. Ерошенко, A.M. Мусина, А.О. Грундулиса, ВВ. Данилова, В.А. Оськин, П Р. Калыкова и др. авторов.

УЗ выбирались по принципу наибольшей эффективности электродвигателя и рабочей машины и проверялись по

о

экономическому критерию.

Рис. 4. Схема управления и зашиты МФЭ

Анализ характерных форм обрабатываемых участков и возможных конструкций кабелеподающих и принимающих устройств позволил сформировать требования и обосновать параметры кабельной сети.

Для наиболее характерных участков квадратной и прямоугольной формы определены параметры кабельной сети. Разработаны два способа питания: центральный вариант, когда электроэнергия подводится к центру участка и вариант с боковым питанием, характерный для участка прямоугольной формы. Расчетами определена зависимость длины гибкого кабеля от формы и площади участка.

в третьей главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований. Для проверки теоретических положений изготовлен и испытан экспериментальный образец УЭА-1,5.

Основными элементами экспериментальной установки являются: МФЭ состоящий из электродвигателя, пуско-защитной аппаратуры, передаточного устройства; рабочие органы; кабельная сеть.

В процессе экспериментов необходимо было установить:

- работоспособность агрегата и отдельных узлов;

- влияние неопределенностей (случайных факторов) на процесс нагружения МФЭ в режимах пахоты и фрезерования почвы;

- экспериментально определить производительность УЭА на каждой операции.

В ходе испытаний были определены характеристики холостого хода с отключенной и включенной трансмиссией, с целью определения механических потерь в передаче. Результаты

испытаний показали, что механические потери в устройстве передачи невелики и составляют порядка 2% от номинальной мощности холостого хода.

,Лля определения влияния случайных факторов на процесс нагружения МФЭ были сняты нагрузочные диаграммы / /(I) при работе УЭА с плугом и почвенными фрезами. Характеристики нагрузочных диаграмм приведены на рис. 5. Обработка диаграмм проводилась с использованием вероятностных методов. Результаты обработки нагрузочных диаграмм представлены п таблице 2.

Рис. 5. Характеристики нагрузочных диаграмм УЭА при работе спочвекными фрезами

Таблица 2.

Вероятностные характеристики случайной нагрузки

Операция Общие Гармонические составляющие

1«, р Э к. Г., Гц Гц 01 Гц Оз

1. Фрезерование (чернозем) 3,17 0,90 1,112 0,33 0.0033-0,017 1,04 0.4-0.8 0.(136 2-10 0,036

2. Фрезерование (суглинок) 3,77 1,07 3,050 0,46 0,0033-0,017 «,72 0,4-■0,8 0,240 2-10 0,250

3. Пахота 3,36 0,96 1.120 0Л 0,0033-0.017 1,08 0,4-0,8 0,22 2-10 0,01 К

Анализ нагрузочных диаграмм подтвердил правильность теоретических положений о гармоническом составе нагрузки.

обусловленной особенностями протекания технологического процесса. Энергетический спектр процесса заключен в частотах й)тт = 0,01 Гц; о)[плх = 4 Гц и имеет характерные максимумы на частотах, соответствующих конструктивным особенностям органов.

Для расчета производительности УЭА по экспериментальным данным был составлен баланс сменного времени, на основе которого была получена производительность агрегата на операциях фрезерования почвы, пахоты," боронования, перевозки грузов. Результаты расчета приведены в таблице 2. Расхождение экспериментальных данных с теоретическими расчетами не превысило 5%.

в четвертой главе дана оценка эффективности разработанного УЭА-1,5. Для этого были проведены сравнения - технико-экономических показателей по трем вариантам. За базовый вариант был принят мотоблок МК-1 «Крот», выполняющий операции пахоты и фрезерования почвы, второй вариант электроагрегат, выполняющий функцию фрезерования почвы и, третий, разработанный УЭА-1,5 с набором орудий для пахоты, фрезерования почвы, окучивания и боронования. Экономический эффект достигается за счет снижения капиталовложений, снижения удельных эксплуатационных издержек, снижения себестоимости продукции, увеличения годовой занятости.

Данными для расчета служили прейскуранты цен на электрооборудование и мини-технику, паспортные и экспериментальные данные агрегатов. Цены приведены на начало 1999г. Расчеты показали, что себестоимость продукции снижена на 33,5%, экономический эффект от применения УЭА-1,5 составляет 1516,7 руб, увеличена готовая занятость за счет расширения количества выполняемых операций.

В приложении к диссертационной работе приведены акт внедрения результатов работы, программа расчета оптимальных интервалов нагрузки МФЭ на ЭВМ.

Основные выводы.

1. Анализ состояния электромеханизацни фермерских и приусадебных хозяйств показал, что электрификацию технологических процессов в таких хозяйствах целесообразно расширять за счет создания и внедрения универсальных электрифицированных агрегатов (УЭА) с многофункциональным электроприводом. Это направление позволяет снизить потребность в электродвигателях в 8-10 раз и сократить затраты на электрификацию в личных и фермерских хозяйствах в 3-5 раза.

2. Выполнены исследования суточных и годовых графиков нагрузок индивидуального и многофункционального

е. электроприводов для типового подсобного хозяйства. Предложено аналитическое описание годового графика нагрузки МФЭ.

3. Установлена зависимость между производительностью УЭА и мощностью УЭА по критерию наибольшей дневной выработки с учетом утомляемости оператора. Для рассмотренных условий электропривод должен иметь мощность от 1,5 до 4,0 кВт.

4. Разработана функция цели, учитывающая переменный характер годового графика использования МФЭ, и выполнен анализ эксплуатационных характеристик. Неравномерный график увеличивает удельные эксплуатационные затраты от 10 до 20% и сдвигает оптимальную нагрузку двигателя в сторону большей мощности (на 20-30%), по сравнению с равномерным графиком или с индивидуальным электроприводом.

5. Изучены закономерности формирования оптимальных интервалов нагрузок двигателей для МФЭ. Установлены количественные связи между интервалами и всеми факторами влияющими на работу УЭА.

6. Учет неопределенных факторов годовой занятости и нагрузки МФЭ выявил необходимость повышения средней нагрузки

электродвигателя на 15-20% против номинальной мощности для снижения удельных эксплуатационных затрат на электроэнергию.

7. Разработана схема питания и обоснованы требования к пуско-защитной аппаратуре УЭА. Во всех вариантах комплектования УЭА предусмотрено ЗОУП по току утечки и комплексная защита электродвигателя. Разработаны варианты построения кабельной сети. Установлена связь между параметрами кабельной сети и размерами обрабатываемого участка.

8. Результаты теоретического исследования проверены экспериментально в лабораторных и производственных условиях. Полученные данные подтвердили совпадение расчетных и опытных показателей.

9. Экономический эффект от применения УЭА-1,5 составляет 1516,7 руб., разовые капиталовложения окупятся за 2-2,5 года.

Основное содержание диссертации изложено в следующих

опубликованнь» работах:

1. Ерошенко Г.П., Трушкин В.А. Многофункциональный электропривод // Сельский механизатор. - 1998г, №10. - С. 32-33.

2. Ерошенко Г.П., Трушкин В.А. Универсальный электрифицированный агрегат. Саратовский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации. Инф. л. №125-99.

3. Ерошенко Г.П., Трушкин В.А. Кабельная сеть для питания мобильных электрифицированных агрегатов. Саратовский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации. Инф. л. №126-99.

4. Ерошенко Г.П., Трушкин В.А. Электромеханизация фермерских и приусадебных хозяйств. Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова. Рекомендации, 1999г. -Зс.

Введение

1. Постановка задач исследования

1.1. Краткий обзор машин и агрегатов для приусадебных и фермерских хозяйств

1.1.1. Потребность в мобильных средствах малой механизации (ССМ)

1.1.2. Мотоблоки и тракторы малой и средней мощности

1.1.3. Мелкосерийные средства малой механизации

1.1.4. Зарубежные средства малой механизации (СММ)

1.1.5. Электрифицированные мобильные средства малой механизации

1.2. Способы построения электроприводов средств электромеханизации

1.3 Анализ методов расчета и выбора мощности электродвигателя при различных режимах работы

1.3.1. Типовые режимы работы электроприводов

1.3.2. Традиционные методы выбора электродвигателей

1.4. Анализ аварийных режимов и устройств защиты электроприводов

1.5. Способы питания мобильных электрифицированных агрегатов

1.6. Цели и задачи исследований

2. Теоретическое обоснование параметров многофункционального электропривода

2.1. Методика исследования

2.2. Технологические основы применения универсального электрифицированного агрегата

2.3. Выделение объекта исследования

2.4. Определение параметров УЭА по критерию производительности

2.5. Выбор мощности многофункционального электропривода

2.5.1 Анализ эксплуатационных характеристик

2.5.2. Оптимизация мощности МФЭ

2.5.3. Оптимальные интервалы нагрузки электродвигателей для МФЭ

2.5.4. Учет неопределённостей при выборе мощности электродвигателя

2.6. Обоснование схемы управления и защиты МФЭ

2.7. Обоснование параметров кабельной сети 84 Выводы

3. Экспериментальные исследования

3.1. Методика и программа проведения эксперимента

3.2. Описание экспериментальной установки

3.2.1. Описание многофункционального электропривода

3.2.2. Рабочие органы УЭА

3.2.3. Описание схемы питания УЭА

3.2.4. Инструкция по эксплуатации универсального электрифицированного агрегата (УЭА-1,5)

3.2.5. Краткое описание измерительного комплекса

3.3. Лабораторные испытания УЭА

3.4. Результаты производственных испытаний

3.4.1. Анализ нагрузочных диаграмм

3.4.2. Расчет реальной производительности УЭА 120 Выводы

4. Экономическая эффективность применения УЭА - 1,

В приусадебных и фермерских хозяйствах, а также на дачных участках производится значительный объем сельскохозяйственной продукции, достигающей 30% от общефедерального объема. Переход к рыночным отношениям и сложная экономическая обстановка стимулируют расширение производства не только для личного потребления, но и для реализации в торговле.

Однако такое производство всегда было особенно трудоемким. Доля ручного труда доходит до 90%.

Для того, чтобы добиться высокой рентабельности и облегчить труд в подсобных и фермерских хозяйствах, разработаны средства малой механизации. Они позволят повысить производительность труда в 10-20 раз, а затраты труда сократить в 3-5 раза. Но реальная обеспеченность такой техникой не превышает 15%.

За последние годы получили широкий спрос электрифицированные машины для механизации работ в полеводстве и подсобном хозяйстве. В них электрификация идет по пути применения одиночных электроприводов. Если применять такой подход, то в каждом личном хозяйстве должно быть около 30 электроприводов, что потребует громадных инвестиций. Возникает научная задача разработки многофункциональных приводов, в которых один электродвигатель обслуживает до 10 рабочих машин и органов. Этот путь дает существенные преимущества, но требует решения некоторых научных задач.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования малогабаритной техники для фермерских и приусадебных хозяйств за счет разработки и обоснования параметров многофункционального электропривода (МФЭ) универсального электрифицированного агрегата (УЭА).

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные научные, задачи, результаты которых выносятся на защиту:

1. На основе анализа годового графика нагрузок индивидуального и многофункционального электроприводов, для типового подсобного хозяйства, выведено аналитическое описание годового графика нагрузки МФЭ.

2. Разработана функция цели, учитывающая переменный характер годового графика использования МФЭ и выполнен анализ эксплуатационных характеристик.

3. Выявлены закономерности формирования оптимальных интервалов нагрузок электродвигателей для МФЭ.

4. Выявлены зависимости влияния неопределенных факторов годовой занятости и нагрузки МФЭ на выбор мощности электродвигателя.

Научная новизна состоит в : аналитическом описании обобщенного годового графика нагрузок МФЭ; установлении закономерностей формирования оптимальных интервалов нагрузок двигателей для МФЭ ; учете влияния неопределенных факторов на выбор мощности электродвигателя для МФЭ.

Практическая значимость результатов исследования подтверждена актом внедрения. Определена методика комплектования УЭА.

На тему диссертации опубликовано 4 работы.

Настоящая работа выполнена на кафедре «Электрические машины и электроснабжение сельского хозяйства» Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова. Производственные эксперименты по внедрению результатов исследований выполнены в фермерском хозяйстве «Октябрь» Уметского района, Тамбовской области.

Большую организационно-методическую помощь при написании диссертационной работы оказал коллектив кафедры «Электрические машины и электроснабжение с.х.», которому автор выражает глубокую благодарность. Особая благодарность заведующему кафедрой, научному руководителю, д. т. н., профессору Г.П. Ерошенко.

Общие выводы

1. Анализ состояния электромеханизации фермерских и приусадебных хозяйств показал, что электрификацию технологических процессов в таких хозяйствах целесообразно расширять за счет создания и внедрения универсальных электрифицированных агрегатов (УЭА) с многофункциональным электроприводом. Это направление позволяет снизить потребность в электродвигателях в 8-10 раз и сократить затраты на электрификацию в личных и фермерских хозяйствах в 3-5 раза.

2. Выполнены исследования суточных и годовых графиков нагрузок индивидуального и многофункционального электроприводов для типового подсобного хозяйства. Предложено аналитическое описание годового графика нагрузки МФЭ.

3. Установлена зависимость между производительностью УЭА и мощностью УЭА по критерию наибольшей дневной выработки с учетом утомляемости оператора. Для рассмотренных условий электропривод должен иметь мощность от 1,5 до 4,0 кВт.

4. Разработана функция цели, по критерию наименьших удельных затрат, учитывающая переменный характер годового графика использования МФЭ, и выполнен анализ эксплуатационных характеристик. Неравномерный график увеличивает удельные эксплуатационные затраты от 10 до 20% и сдвигает оптимальную нагрузку двигателя в сторону большей мощности (на 20-30%), по сравнению с равномерным графиком или с индивидуальным электроприводом.

5. Изучены закономерности формирования оптимальных интервалов нагрузок двигателей для МФЭ. Установлены количественные связи

134 между интервалами и всеми факторами влияющими на работу УЭА, дающие основу выбора электродвигателя по мощности для МФЭ.

6. Учет неопределенных факторов годовой занятости и нагрузки МФЭ выявил необходимость повышения средней нагрузки электродвигателя на 15-20% против номинальной мощности для снижения удельных эксплуатационных затрат на электроэнергию.

7. Разработана схема питания и обоснованы требования к пуско-защитной аппаратуре УЭА. Во всех вариантах комплектования УЭА предусмотрено ЗОУП по току утечки и комплексная защита электродвигателя. Разработаны варианты построения кабельной сети. Установлена связь между параметрами кабельной сети и размерами обрабатываемого участка.

8. Результаты теоретического исследования проверены экспериментально в лабораторных и производственных условиях. Полученные данные подтвердили совпадение расчетных и опытных показателей.

9. Годовой экономический эффект от применения УЭА-1,5 составляет 1516,7 руб., разовые капиталовложения окупятся за 2-2,5 года.

1. Андреев В.П., Сабинин И.А. Основы электропривода М.: Госэнергоиздат, 1963.

2. Артемюк Б.Т. Асинхронные двигатели при периодической нагрузке.

3. Асинхронные двигатели общего назначения / Бойко Е.П. и др. — М.: Энергия, 1980.

4. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская. — М.: Энергоиздат, 1982.

5. Басов А. М. и др. Основы электропривода и автоматическое управление электроприводом в сельском хозяйстве.- М.: Колос, 1972.

6. Брандман С. Э., Федоров В. И. Товары для личных подсобных хозяйств: Справ./Спецред. В. Г. Шунтова. — М.: Экономика, 1989. -207с.

7. Будзко И.А., Захарин А.Г., Эбин А.Е., Левин М.С. Теоретические основы электроснабжения в сельском хозяйстве — М.: Колос, 1964. -344с.

8. Будзко И.А., Левин М.С. Электроснабжение с.х. предприятий и населенных пунктов. — М.: Агропромиздат, 1985. 320с.

9. Будзко И.А., Славин P.M. Экономические основы электрификации животноводства. //Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1980 - №1.

10. Ю.Ванурин В.Н. Совершенствование электропривода сельскохозяйственных машин //Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1981 - №3,- С . 29-33.

11. П.Васильев М. Мотоблок «Сибиряк» //Моделист-конструктор. -1985. №2. С-4-5.

12. Ведеиякин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. — М.: Колос, 1967.- 160с.

13. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей. — М.: Наука, 1973. 366с.

14. Вишневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе.1. М.: Энергия, 1967.

15. Выбор электродвигателей в зависимости от условий окружающей среды: РТМ 105/23/46/16-01-158-81 М.: ОНТП ВНИИКОМЖ, 1979. -27с.

16. Гагарин Н. Одноколесный крот. // Моделист-Конструктор. -1988,-№9, С6-7.

17. Гайдукевич В.Н., Титов B.C. Случайные нагрузки силовых электроприводов. —М.: Энергопромиздат, 1983.

18. Гайдукевич В.И. Марченко О.С., Курица Б.И. Исследование процесса нагружения почвообрабатывающего фрезерного агрегата. / Труды МАДИ. в. 135. М.: изд-во МАДИ, 1977. -127с.

19. ГОСТ 17154 71 Машины электрические вращающиеся. Характеристики, расчетные параметры и режимы работы. Термины и определения. — М.: издательство стандартов, 1982. -24 с.

20. Грицикус А.Н. Защита асинхронного электропривода с резкопеременной нагрузкой в сельскохозяйственном производстве. Автореф. дис. канд. техн. наук. — Елгава, 1987. -20с.

21. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. — М.: Колос, 1982. 104с.

22. Грундулис А.О. Фазовые методы защиты электродвигателей. //Техника в сельском хозяйстве. 1969, №9.

23. Данилов В.Н. Надежность системы «Электродвигатель аппарат защиты» от аварийных режимов. // Техника в сельском хозяйстве. - 1988 - №6.

24. Дорохов Б.В. Обоснование режимов работы асинхронных двигателей частотно-регулируемых электроприводов рабочих машин в животноводстве и кормопроизводстве. Автореф. дис. канд. техн. наук. — Челябинск, 1989. -24с.

25. Дружинин Г.В. Процессы технологического обслуживания автоматизированных систем. — М.: Энергия, 1973.

26. Джанибеков К.А. Многоскоростной электропривод подачи отделителя стационарного выгрузчика кормов из траншейных хранилищ. — Автореф. дис. канд. техн. наук. — Зерноград, 1987.

27. Евсюков Т.П. Курсовое и дипломное проектирование по эксплуатации МТП,- М.: Агропромиздат, 1985 143с.

28. Егоров В., Назарян Е. Справочник по садоводству. — М.: Издательство ВЦСПС, 1960.

29. Ельховский П.Е., Нанькин В.В. Выбор электродвигателей для с.х. машин //Техника в сельском хозяйстве. 1980. - №2. - С30-31.

30. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. — М.: Высшая школа, 1962. 490с.

31. Ерошенко Г.П., Данилов В.М. Методические основы выбора и разработки аппаратов защиты электродвигателей. //Техника в сельском хозяйстве. 1993 - №1.

32. Ерошенко Г.П. Использование электрооборудования в сельском хозяйстве. — Саратов: издательство СХИ, 1979.

33. Ерошенко Г.П., Костюк В.Н., Курбатова Г.С. Выбор мощности электродвигателей для привода рабочих механизмов с учетом их особенностей. — Электротехническая промышленность, 1982, вып. 1 (99).

34. Ерошенко Г.П. Условия эффективного применения устройств защиты электродвигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1983 -№1.

35. Ерошенко Г.П. Эксплуатационные свойства электрооборудования. —Саратов: изд-во СГУ, 1984.

36. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. — Л.: Энергия, 1968. 570с.

37. Заец В.А. За рулем велоплуга // Моделист-конструктор 1985 -№3, С32-33.

38. Иофинов С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка. — М.: Колос, 1974. 480с.

39. Исследование и разработка методики выбора мощности электрических двигателей для сельскохозяйственных механизмов. Отчет по НИР №800001513. Рук. Ерошенко Г.П., Саратов, 1980. — 55 с. Инв. Б9152261

40. Исследование режимов работы и условий оптимального использования электрических двигателей в сельском хозяйстве. I II этапы. Отчет по НИР №80001513-Рук. Ерошенко Г.П. Саратов, 1978 - 676. Инв. Б878601

41. Исследование режимов работы и условий оптимального использования электрических двигателей в сельском хозяйстве. II III этапы. Отчет по НИР №80001513 - Рук. Ерошенко Г.П. Саратов, 1979 - 121с. Инв.Б878601

42. Казимир А.П., Грундулис А.О. Проблемы защиты электродвигателей в сельском хозяйстве. // Электротехника. -1980, №9.

43. Казимир А.П., Керпелева И.Е. Загрузка электродвигателей на животноводческих фермах // Техника в сельском хозяйстве. -1976 -№3. С. 46-47.

44. Калыков Б.Р. Повышение эксплуатационных показателей сельскохозяйственных электроприводов со случайной нагрузкой. — Автореф. дис. канд. техн. наук. — Челябинск, 1994.

45. Климов A.A. Электрификация производственных процессов в животноводстве. -М.: Сельхозиз, 1955. 373с.

46. Кобаидзе К.Г. Электрифицированная малогабаритная техника для обработки почвы / Труды ВИЭСХ, Т75. — М.: ВИЭСХ, 1990. 96с.

47. Ключев В.И. Теория электропривода — М.: Энергоиздат, 1985.

48. Кобелев А.Г. Устройство и ремонт бытовой техники. М.: Высшая школа, 1994. 319с.

49. Корчемный H.A., Постельга С.К. Классификация электроприводов сельскохозяйственных машин по вероятностным характеристикам нагрузки. В кн.: Механизация и электрификация сельского хозяйства. — Киев, 1981 №15 -С.26-31.

50. Костюк В.И. Исследование режимов использования электродвигателей в сельскохозяйственном производстве: — Автореф. дис. канд. техн. наук. —Челябинск, 1982. 18с.

51. Листов П.Н. и др. Электромонтер сельской электрификации. — М.: Высшая школа, 1969. 320с.

52. Луковников A.B. Охрана труда. — М.: Колос, 1984. 288с.

53. Малая механизация в приусадебном и фермерском хозяйствах / О.Г. Залигин ,С.О. Гусаков, В.П. Заборский. Киев: Урожай, 1996. - 368с.

54. Мартынова Г. Неподвижный «мотоблок». //Моделист-конструктор. 1989 - №3, с. 10-12.

55. Мейстель A.M. и др. Комплексные тиристорные устройства для управления асинхронными электроприводами. М.: Энергия, 1971 120с.

56. Мельников C.B. И др. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. — Л.: Колос. Ленинградское отделение, 1980. 108с.

57. Методика выбора электроприводов с резкопеременной (ударной и пульс.) нагрузкой: РТМ 105 - 0 - 051 - 78 — М.: ПНТИ ВНИИКОМЖ, 1978. - 23с.

58. Методика выбора электроприводов сельскохозяйственных машин: РТМ 165/23.2.2-74 — М.: ВНИИСХОМ ВНИИКОМЖ, 1978. 95с.

59. Мешков В. Мотоблок для любых почв. // Моделист -конструктор. 1987 - №7, С.4-7.

60. Морозов Д.П. Основы электропривода. — M Л:Госэнергоиздат, 1950.

61. Мусин A.M. Аварийные режимы асинхронных двигателей и способы их защиты,- М.: Колос, 1989.

62. Мусин A.M. Поведение асинхронного электропривода при случайной нагрузке. // Электричество. 1997 - №1, С.75-77.

63. Мусин A.M. Теория и методы расчета и испытания электроприводов сельскохозяйственных машин со случайной нагрузкой: — Автореф. дис. доктора техн. наук. — М., 1973. -47с.

64. Мусин A.M. Электропривод сельскохозяйственных машин и агрегатов. М.: Агропромиздат, 1985.

65. Нормы испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей — М.: Энергоатомиздат, 1982.

66. Обрина Н. Мотопрополыцик.// Моделист-конструктор,- 1986 -№6, С.7-8.

67. Основы электропривода и применение электропривода в сельском хозяйстве / Назаров и др. — М.: Колос, 1972.

68. Остапенко О. Что может мотоплуг. // Моделист-конструктор. -1984 №4, С.6-8.

69. Петров И.И., Мейстель А. М. Специальные режимы работы асинхронного электропривода. —М.: Энергия, 1968.

70. Пильщиков J1.M. Практикум по эксплуатации машинно-тракторного парка. — М.: Колос, 1976. 272с.

71. Попов В.К. Основы электропривода М.: Госэнергоиздат, 1951.

72. Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

73. Прищеп Л.Г., Филаткин П.А., Электропривод и применение электроэнергии в сельском хозяйстве — М.: Высшая школа, 1972.

74. Пястолов A.A., Ерошенко Г.П., Костюк В.М. Резервы использования электродвигателей // Сельский механизатор. -1979 №2-С.33.

75. Пястолов A.A., Ерошенко Г.П. Эксплуатация электрооборудования. —М.: Агропромиздат, 1990.

76. Пястолов A.A. Научные основы эксплуатации электросилового оборудования. —М.: Колос, 1968.

77. Радин В.И., Курбатова Г.С., Степанова М.Н. Электродвигатели для сельского хозяйства // Электротехника,- 1978 №11.

78. Ратнер Н. М. Метод средних потерь для электродвигателей со случайным режимом работы // Электричество. 1970. - №8 -С.77-79.

79. Расчет электроприводов в случайных режимах — М.: Энергия, 1969.

80. Регулируемые асинхронные двигатели / под ред. Д.Н. Быстрицкого — М.: Энергия, 1975.

81. Ратнер М.Ф., Булыгин B.C. Статистическая динамика и теория эффективности систем управления.

82. Рязанцев В.П., Суханова P.C. Новая отечественная и зарубежная техника для фермерских хозяйств. — М.: ВНИИТЭИ агропром, 1991. 66с.

83. Рубцов П.А., Осетров П.А., Бондаренко С.П.: Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. — М.: Колос, 1971. 526с.

84. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины/ Г.Е. Листопад, Г.К. Демидов, Б.О. Зонов и др. Под общей редакцией Г.Е. Листопада. —М.: Агропромиздат, 1986. — 688с.

85. Скобельдин H.B. Основы электрификации сельского хозяйства. М. Л.: ОГИЗ, 1935.

86. Славин P.M. Научная основа автоматизации производства в животноводстве и птицеводстве. — М.: Колос, 1974.

87. Соколов Б. «Серебряный» мотоплуг. // Моделист-конструктор. -1987 -№10. С.7-8.

88. Соколов Н.Г. Основы конструирования электроприводов. — М.: Энергия, 1971.

89. Справочник по применению электроэнергии в сельском хозяйстве / Под ред. H.A. Сазонова. — М.: Сельхозгиз, 1958. -606с.

90. Справочник по электрификации сельского хозяйства / Под ред. И.М. Шидарева. — М.: Госиздательство сельхозлитературы, 1949.- 598с.

91. Степанчук Г.В. Энергосберегающий многоскоростной электропривод сушильного барабанного агрегата АВМ-0,65. — —- Автореф. дис. канд. техн. наук. — Зерноград, 1995.

92. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. — М.: Госэнергоиздат, 1963.

93. Сырых H.H. Эксплуатация сельских электроустановок. — М.: Агропромиздат, 1986.

94. Теория прогнозирования и принятия решений. / Под ред. С.А. Саркисяна. М.: Высшая школа, 1977.

95. Титова Н. Советы ландшафтного архитектора. // Приусадебное хозяйство . 1989, №3.

96. Торопцев Н.Д. Трехфазный асинхронный двигатель в схеме однофазного включения с конденсатором. — М.: Энергоатомиздат, 1988 95с.

97. Усатенко С.Т., Краченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. — М,: изд-тво стандартов, 1992. 316с.

98. Феофилактов Е. Мотоблок колесо. // Моделист - конструктор. - 1986. -№2, С.22-28.

99. Фоменков А.П. Электропривод сельскохозяйственных машин поточных линий. — М.: Колос, 1984.100. «Фреза» в саду. // Моделист конструктор, 1985. - №7, С.11-14.

100. Черепанов С.С., Халфин М.А. Проблема механизации фермерских хозяйств // Техника в сельском хозяйстве.1993. №1.

101. Чиликин М.Г., Сандлер A.C. Общий курс электропривода.

102. М.: Энергоиздат, 1981. 576с.

103. Шуруб В.А. Анализ трехфазных-однофазных асинхронных электроприводов при случайной нагрузке.

104. Хрущев В.В. Электрические микромашины переменного тока для устройств автоматики. — Л.:Энергия, 1969. 288с.

105. Эксплуатация технологического оборудования животноведческих ферм и комплексов / Под ред. С.В, Мельникова. —М.: Колос, 1980.

106. Яковлев В. Мал, да удал! // Моделист-конструктор. 1986 -№1, С.11- 12.

107. Ярмош А.Г., Ярмош Г.С. Механизация подворья. // Сделай сам. 1991- №1, С.75-128.

108. Крестьянское Фермерское хозяйство

109. Октябрь /• Умётского Района Тамбовской----19» tjiwc У*ют f-m W1. АКТо внедрении результатов НИР

110. Вид внедрения универсальный электрифицированный агрегат (УЭА-1,5).

111. Форма внедрения один УЭА-1,5 с рабочими органами.

112. Технический уровень НИР разработан агрегат для работ в приусадебном хозяйстве, рабочие органы и устройство кабелеподачи.

113. Эффект от внедрения снижение затрат ручного труда,повышение производительности работ на приусадебном хозяйстве, годовой экономический эффект от применения разработанной техники составил 1515,7 руб.