автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования картофеля

На права*) рукописи

/¿и

Гильванов Вадим Фанилевич

РАЗРАБОТКА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ

Специальность 05.20.02 - Электротсхнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2012

005044276

005044276

Работа выполнена на кафедре «Электрические машины и электрооборудование» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Линенко Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: Андрианова Людмила Прокопьевна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, профессор кафедры «Электроснабжение и применение электрической энергии в сельском хозяйстве» Овсянников Николай Владимирович

кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение "Агентство по производству и первичной обработке льна и конопли "Лен" (ФГБУ "Агентство "Лен"), начальник

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» (ФГБОУ ВПО Челябинская ГАА)

Защита состоится «30» марта 2012 года, в 11.00 часов на заседании диссертационного совета КМ220.030.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия" по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 9, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Автореферат разослан 28 февраля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Картофель относится к одной из важнейших сельскохозяйственных культур, и в России он стал «вторым хлебом», 90 % которого производится в неспециализированных личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйствах.

В настоящее время на сортирование картофеля в хозяйствах приходятся значительные затраты труда из-за низкой механизации и электрификации технологического процесса. Серийное производство машин для сортирования картофеля практически прекратилось вследствие их большой стоимости и низкой надежности работы, что обусловлено большим числом вращающихся и выходящих из строя деталей, поэтому в хозяйствах резко возросла доля ручного труда при сортировании картофеля. Использование устаревшего, изношенного и энергоемкого оборудования не эффективно. Диспаритет цен между сельскохозяйственной продукцией и цен на оборудование и энергоносители требуют совершенствования технологий и технических средств при производстве сельскохозяйственной продукции.

В связи с этим создание машин для сортирования картофеля с высокими технико-экономическими показателями является актуальной задачей.

Тематика работы отвечает «Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ до 2020 года» и соответствует разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 года».

Цель работы: повышение эффективности машины для сортирования картофеля путем разработки автоколебательного линейного асинхронного электропривода.

Задачи исследования:

1. Разработать эффективный автоколебательный линейный асинхронный электропривод машины для сортирования картофеля (АЛЭМСК) с учетом агротехнических требований к картофелесортировальным машинам.

2. Разработать математическую модель АЛЭМСК.

3. Разработать методику физического исследования АЛЭМСК; создать экспериментальный стенд АЛЭМСК и провести ее исследование; проверить адекватность разработанной математической модели.

4. Исследовать влияние параметров АЛЭМСК на характеристику автоколебательного процесса рабочего органа машины и на эффективность сортирования картофеля.

Объект исследования: автоколебательные процессы в приводе машины для сортирования картофеля.

Предмет исследования: закономерности изменения параметров автоколебаний в линейном электроприводе машины для сортирования картофеля в зависимости от ее конструктивных параметров и массы картофеля.

Методы исследований: для исследования поставленных в диссертационной работе задач использованы теория дифференциальных уравнений, теория математического моделирования, метод объектно-визуального моделирования в среде МаЙаЬ, метод математической статистики.

Па защиту выносятся следующие научные положения:

оригинальная конструкция безредукторного АЛЭМСК;

математическая модель АЛЭМСК;

результаты теоретических исследований, обосновывающие конструктивные и технологические параметры сортировальной машины;

результаты исследования экспериментальной машины для сортирования картофеля с автоколебательным линейным асинхронным электроприводом.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

- машина для сортирования картофеля с повышенными технологическими характеристиками на базе безредукторного автоколебательного линейного асинхронного электропривода за счет исключения промежуточных преобразователей вращательного движения в поступательное;

- математическая модель, позволяющая исследовать технологические и электромеханические процессы автоколебательного линейного асинхронного электропривода с учетом конструктивных параметров привода машины и массы картофеля;

- результаты исследования амплитудно-частотной характеристики в зависимости от массы картофеля, напряжения питания, жесткости упругих элементов и закономерности изменения скорости транспортирования и производительности машины от жесткости упругих элементов при различных массах картофеля;

- экспериментально полученные зависимости, отражающие качество сортирования картофеля от скорости рабочего органа, производительность от жесткости упругих элементов при различных массах картофеля, а также амплитудно-частотные характеристики в зависимости от массы картофеля. Новизна технического решения защищена патентом РФ.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что на их основе был разработан и опробован оригинальный АЛЭМСК. Разработанная математическая модель, установленные взаимосвязи

могут быть использованы при проектировании машины для сортирования картофеля с автоколебательным линейным электроприводом. Пол ченные результаты позволяют дать практические рекомендации по построению автоколебательного линейного электропривода. Стенд АЛЭМСК с многоканальной выдачей результатов и их математической обработкой на ЭВМ в современных программных продуктах можно использовать для ее многостороннего физического исследования.

На основе проведенных в рамках диссертационной работы исследований бьи разработан и принят к внедрению АЛЭМСК в Управлении сельского хозяйства Караидельского района Республики Башкортостан; в СПК "Халилово".

Результаты теоретических и экспериментальных исследований машины для сортирования картофеля на базе автоколебательного линейного электропривода используются в учебном процессе Башкирского ГАУ по дисциплинам: «Электропривод», «Автоматизированный электропривод».

Личный вклад автора. Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований, результаты экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены лично автором. Совместно с научным руководителем, к.т.н., доцентом Линенко A.B. разработана конструкция АЛЭМСК, ее математическая модель и приведены теоретические исследования.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на 7 научно-технических, а также на ежегодных внутривузовских конференциях. В том числе: на II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы» (Уфа, 2008); на XLVI1I -й и L -й научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии (Челябинск, 2009г., 2011г.); на Всероссийских научно-практических конференциях в рамках XIX и XX Международной специализированной выставки «Arpo Комплекс- 2009» и «Arpo Комплекс- 2010» (Уфа); на Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ «Молодежная наука и АПК» (Уфа, 2010);: на Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях» (Ижевская ГСХА, 2011, 1-ое место).

Публикации. По материалам диссертационной работы получено 2 патента РФ, опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературных источников из 123 наименований и 14 приложений. Основное содержание работы изложено на 120 страницах, содержит 57 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность темы, обосновывается цель и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, дается ее общая характеристика.

В первой главе «Современное состояние вопроса и задачи исследования» на основе материалов, представленных в работах В.П. Горячкина, Е.А. Глухих, H.H. Колчина, А.И. Каламина, В.А. Макарова, A.A. Сорокина, Н.В. Шабурова, И.А. Гребенюка, ПН. Волосевича, М.Ю. Васильченко приведены результаты анализа состояния проблемы сортирования картофеля, а также проведен анализ агротехнических требований к машинам для сортировки картофеля.

Проведенный обзор существующих машин для сортирования картофеля показал, что наиболее широкое распространение получил принцип сортирования по размеру. Рабочие органы таких машин делятся на пять групп: плоско-решетные; роликово-валиковые; барабанные; транспортерные и с комбинированным рабочим органом.

По точности сортирования первое место занимают машины плоскорешетного типа - 82...88%, однако таким машинам свойственна несколько большая повреждаемость клубней.

Общим недостатком описанных в главе машин является сложность их конструкции, большое количество трущихся и изнашивающихся поверхностей.

По технико-технологическим показателям основной машиной для сортирования клубней картофеля могут служить машины плоско-решетного типа, но для повышения их технико-экономических показателей требуется замена эксцентрикового привода решет двигателем вращения на линейный асинхронный электропривод. Это позволит за счет непосредственного преобразования электрической энергии в поступательное движение рабочего органа снизить эксплуатационные расходы и себестоимость машины, а также повреждаемость клубней.

Исходя из сказанного сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Разработка конструкции и математической модели автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования картофеля» разработана конструкция машины для сортирования

картофеля с автоколебательным линейным электроприводом и ее математическая модель

Машина для сортирования клубней картофеля представлена на рисунке 1 и включает в себя рабочий орган, состоящий из двух жестко соединенных между собой частей с приводом в виде плоского линейного асинхронного электродвигателя (ЛАД). Первая часть машины представляет собой подвижный сплошной лоток 1, на котором жестко закреплены соединенные алюминиевая и статьная пластины, являющиеся вторичным элементом плоского ЛАД. Под пластинами на раме 6 установлен индуктор 2 ЛАД. На лоток 1 подается подлежащий обработке картофель.

Вторая подвижная часть 3 установки выполнена из прутков 4, установленных на определенном состоянии друг от друга. На этом участке происходит доочистка картофеля от мелких примесей и его сортировка: I -участок доочистки, II — участок сортировки (мелкая фракция), III — участок сортировки (средняя фракция), IV— участок сортировки (крупная фракция).

Подвижные части 1 и 3 установлены на роликах 5 таким образом, что по мере перемещения в обоих направлениях ударяются в упругие элементы 7, которые установлены на основании 6. На рисунке 1 упругие элементы показаны только с одной стороны. Сортированный по размеру картофель сходит по направляющим 8.

Машина работает следующим образом. При подаче напряжения блоком управления (на рисунке 1 не показан) на индуктор 2 ЛАД рабочий орган (лотки) вместе с картофелем приходит в поступательное движение в направлении упругих элементов 7. При достижении последних индуктор отключается от сети, рабочий орган ударяется в упругие элементы и резко останавливается, а картофель по инерции движется вперед. За счет накопленной потенциальной энергии упругими элементами 7 рабочий орган движется в обратном направлении, где также взаимодействует с упругими элементами, останавливается и разгоняется в первоначальном направлении. В этот момент индуктор снова подключается к сети, и далее описанный процесс повторяется. Таким образом, рабочий орган машины для сортирования картофеля работает в режиме автоколебаний, а картофель поступательно перемешается на участок сортирования.

При движении по поперечным пруткам 4 (участок I) картофель освобождается от мелких примесей. Далее сквозь продольные прутки проходит мелкая фракция картофеля (участок II), затем средняя (участок III), а оставшаяся крупная фракция поступает на IV участок.

/

Х- С .........

# *

V и

1 — сплошной лоток; 2 - индуктор ЛЛД; 3 — лоток из прутков; 4 - прутки;

5 - ролик; 6 - основание; 7 - упругие элементы; 8 - направляющие, /-участок очистки, II-участок сортировки (мелкая фракция), ///-участок сортировки (средняя фракция), IV-участок сортировки (крупная фракция) Рисунок 1 - Машина для сортирования клубней картофеля с линейным электроприводом

Математическое моделирование позволяет исследовать все взаимосвязи в приводе с учетом электромеханических переходных процессов, что особенно важно при проектировании привода на базе ЛАД, работающего в режиме автоколебаний.

При разработке модели приняты следующие допущения: сила вязкого трения между роликами и лотками не учитывается, характеристика упругих элементов считается линейной. Моделирование процесса движения картофеля по колеблющейся поверхности лотков проводится при допущениях, общепринятых при решении аналогичных задач: картофель является материальной точкой, между лотками и картофелем присутствует только сила сухого трения, подчиняющаяся закону Кулона, масса картофеля в течение времени моделирования остается постоянной, момент инерции опорных роликов не учитывается.

Основная система уравнений (1) математической модели в соответствии с принятой кинематической схемой (рисунок 2) включает в себя уравнение динамики линейного колебательного асинхронного электропривода и уравнение движения материальной точки по колеблющейся поверхности. Для описания математической модели приняты три системы координат: ХОУ

неподвижна относительно индуктора ЛАД, Х^У! неподвижна относительно лотка, Х;02У2 движется в пространстве с синхронной скоростью ЛАД.

F-F +F -F Л

У1 У2 Р \

v, = \a,dt

О

т

х„ = \v¿t

О

тка\=~ткал+^т Т

О Г

>

(1)

7

где: о,, и о» х* - соответственно ускорения, скорости и координаты перемещения картофеленесущего лотка и картофеля по оси ОХ, м/с2, м/с, м;

Oía VlK, x¡K - соответственно ускорения, скорости и координаты перемещения картофеля по оси 0]X¡ м/с2, м/с, м.

Т — время моделирования, с;

m = mK+ mñ - масса картофеленесущего лотка вместе с картофелем, кг;

тг - масса картофеля, кг;

т, - масса картофеленесущего лотка, кг;

F - сила тяги ЛАД, определяется с помощью системы уравнений Парка-Горева, Н.

/

\

'-ñ

X / \

'7 "4.L

1 - груз; 2 - лоток (вторичный элемент ЛАД); 3 - опорный ролик; - неподвижный упор; 5 - упругий элемент; 6 - датчик включения/отключения ЛАД; 7 - подвижный упор; 8 - блок управления; 9 - индуктор ЛАД Рисунок 2 - Кинематическая схема процесса транспортирования груза по рабочему органу АЛЭМСК

Для описания и исследования работы ЛАД принята за основу система дифференциальных уравнений Парка-Горева для двигателей вращательного движения. При этом принято допущение - не учитываются краевые эффекты, что допустимо для низкоскоростных ЛАД с синхронными скоростями Уо<5м/с, с учетом электромеханических переходных процессов наиболее удобна система координатных осей, движущаяся в пространстве с синхронной скоростью V»

где: иХь иУ1 - напряжение индуктора по осям ОХ, ОУ, В; т - полюсное деление обмотки ЛАД, м; Хз=Х1+Хт, Хг=Х2+Хт - значения сопротивлений, вводимых в модель, Ом; К,, XI, Я2, Х2 - соответственно активное и реактивное сопротивления индуктора и вторичного элемента, приведенные к обмотке индуктора, Ом; Хш - сопротивление взаимоиндукции между индуктором и вторичным элементом, Ом; фХ1,фУ1,фХ2,фУ2 - потокосцепления по осям 02Х2, 02У2 соответственно индуктора и вторичного элемента, Вб; ш0 - угловая частота питающей сети, с"1; РС1 - суммарная сила сопротивления АЛЭМСК, Н.

Включение и выключение индуктора осуществляется по релейному закону в функции координаты вторичного элемента (картофеленесущего лотка).

Ру - сила сопротивления от упругих элементов, согласно закона Гука, Н. (/у - работающих при отключении ЛАД; Ру2 - работающих при включении

- сила трения качения опорных роликов, Н. [•'¡тр - сила сухого трения картофеля (Н), определяется в соответствии с законом Кулона (3):

(2):

ЛАД)

■ при У,к > 0 и тл > т^к0 - т^п при У,к = 0 и /вд, = т^к0

■ /вд, при У!к = О и /ад, < т^кВ ¥гтр 4= О при У1к = О и /ад, = 0 , (3)

/ад, при У,к = 0 и ид < т^к0 т^о при У!к = 0 и /ад, = ти«^ ^ ти^ при У,к < 0 и ид > тгяГга

где: /к и /хо соответственно коэффициенты трения скольжения и покоя картофеля.

Для анализа динамических режимов работы электромеханических систем используется метод визуального моделирования программного пакета ЯнпиПпк (приложение к Ма11аЬ), который позволяет представить разработанную математическую модель машины для сортирования клубней картофеля одним основным окном. Реализованная математическая модель АЛЭМСК в среде визуального моделирования 81тиИпк позволяет исследовать все взаимосвязи в приводе с учетом электромеханических переходных процессов.

В третьей главе «Теоретическое исследование автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования картофеля» произведено исследование влияния параметров АЛЭМСК на эффективность ее работы с помощью разработанной математической модели.

Получены временные диаграммы ускорений а = ОД, скоростей перемещений рабочего органа и картофеля и сил, действующих на

рабочий орган, а также зависимость собф от массы груза и мощности, потребляемой из сети от координат включения и отключения ЛАД.

На рисунке 3 представлены амплитудно-частотные характеристики рабочего органа машины, из которых видно, что изменение амплитуды колебаний рабочего органа влияет На его частоту колебаний, а соответственно на производительность машины. Широкий диапазон перемещения рабочего органа с различными упругими элементами и массами картофеля можно

осуществить на частоте 1___1,5 Гц. Вторичный элемент ЛАД необходимо

выбирать длиной не менее 0,7 м.

-

V V ч •

\ \ ч

\ ч к ч \ ч : :

....... \ j..: : ч * ч ... • '

0.! 0.9 t 1,1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.« 1.7 1.5 1,9 2 (.Гц

В)

Н......

i

02 v......

o.i; i

0 —

—c=1Q0 К'и

— U=60B

—1МЯВ

6)

Рисунок 3 - Амплитудно-частотные характеристики АЛЭМСК в зависимости от: а) упругого элемента/^;, работающего при отключении ЛАД; б) упругого элемента Гу2, работающего при включении ЛАД; в) массы картофеля; г) напряжения питания

Представленные на рисунке 4 характеристики позволяют на стадии проектирования определять наиболее рациональное соотношение массы картофеля и жесткости упругих элементов, при которых будут достигаться максимальные технико-экономические показатели.

Определено, что жесткость упругого элемента, работающего при отключении ЛАД должна выбираться максимальной, но не более 25000 Н/м, т.к. дальнейшее увеличение жесткости не влияет на процесс транспортирования и сортирования картофеля. Средний cos q> практически не зависит от массы картофеля и в среднем равен 0,6. Максимальная скорость лотка не должна превышать 2 м/с для исключения повреждения клубней картофеля и определяется значением полюсного деления обмотки ЛАД.

б) г)

Рисунок 4 - Зависимости скорости транспортирования и производительности в зависимости от: а) и в) — жесткости упругих элементов }'],, работающих при включении ЛАД; б) и г) - жесткости упругих элементов РУ1, работающих при отключении ЛАД

Исследованиями определены рациональные значения параметров машины: средняя скорость транспортирования У=0,1 м/с при производительности С>=10т/ч, амплитуда колебаний Ь-0,25 м, частота колебаний Г= 1 Гц, жесткость упругого элемента, работающего при отключении ЛАД РУ1=25000 Н/м, при включении Гу2=1000 Н/м.

С точки энергетики привода наилучшие показатели достигаются при отключении ЛАД в момент достижения лотком упругих элементов Ру1 и при включении ЛАД, когда упругие элементы 1\2 полностью отдают накопленную потенциальную энергию лотку.

В четвертой главе «Методика и результаты экспериментального исследования автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования картофеля. Технико-экономические показатели» представлены методика и результаты экспериментального исследования, которые проводились как на лабораторном стенде, так и на действующей экспериментальной машине.

Во время испытаний АЛЭМСК определялся ток, потребляемый индуктором ЛАД, и перемещение рабочего органа (вторичного элемента ЛАД). Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5. Измерение фазного тока, потребляемого индуктором ЛАД, осуществлялось активным линейным датчиком тока марки СБЬАЮР. При включении установки выходной сигнал, пропорциональный наведенной индукции фазным проводом регистрируется двухканальным осциллографом.

Измерение перемещения рабочего органа установки производилось путем снятия выходного напряжения с линейного датчика перемещений марки ОКРКЛМ (ЬТ509), который жестко крепится на станину, подвижный шток крепится к раме рабочего органа установки.

Погрешность измерений определялась путем математической обработки полученных результатов с возможной погрешностью измерений не более 4% с использованием методов доверительных оценок распределения Стьюдента. Расхождение расчетных и экспериментальных зависимостей не превышает 14%. Это позволяет использовать разработанную математическую модель АЛЭМСК в практических расчетах и считать ее адекватно отражающей физические процессы.

На рисунке 6 представлены зависимости качества сортирования картофеля от длины участков сортирования при различных скоростях лотка машины. Можно добиться качества сортировки 90%, но с ограничением скорости лотка не более 2 м/с, т.к. при большей скорости может наблюдаться повреждение клубней картофеля. Оптимальной длиной участков сортирования можно считать 0,6 м.

Я3 64/

1 - лоток; 2 - опорный ролик; 3 - индуктор ЛАД; 4 - участок сортировки; 5 - двухканальный осциллограф; 6 - блок управления; 7,8 - датчики положения; 9 - датчик линейных перемещений; 10 - компьютер; 11 - датчик тока; 12 - упругий элемент (отключение ЛАД); 13 - упругий элемент (включение ЛАД) Рисунок 5 - Схема экспериментальной установки для исследования линейного электропривода машины

для сортировки картофеля

Рисунок 6 - Экспериментальное определение длины участков сортирования

Расчет эффективности предлагаемой АЛЭМСК проводился в соответствии с методикой экономической оценки средств электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства. Экономический эффект от внедрения достигнут за счет снижения эксплуатационных затрат и повышения производительности машины и составил 16649 рублей при сроке окупаемости 0,8 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлено, что разработанный АЛЭМСК, в котором вторичный элемент ЛАД рассматривается рабочим органом, является эффективным и отвечает агротехническим требованиям, предъявляемым к картофелесоргировальным машинам (точность сортирования 85-90%, уровень повреждения глубней не более 1 %).

Новизна технического решения доказана патентом РФ на изобретение.

2. Разработанная математическая модель АЛЭМСК, как показала экспериментальная проверка в лабораторных и производственных условиях, позволяет рассчитывать процесс с приемлемой для практических целей погрешностью (да 14%) и может быть рекомендована для проектных расчетов.

3. Установлены закономерности изменения параметров автоколебаний линейного электропривода в зависимости от конструктивных параметров машины, а также интегральные зависимости, характеризующие процесс работы машины. Длина вторичного элемента должна составлять не мене 0,7 метра.

4. Определено, что жесткость упругого элемента, работающего при отключении ЛАД, должна выбираться не более 25000 Н/м, т.к. дальнейшее увеличение жесткости не влияет на процесс сортирования. Жесткость упругого элемента, работающего при включении ЛАД, должна выбираться максимальной при условии отсутствия обратного движения картофеля.

5. Исследованиями определены рациональные значения параметров машины: средняя скорость транспортирования V=0,1 м/с, при производительности Q=10 т/ч, амплитуда колебаний L=0,25 м, частота колебаний МГц, жесткость упругого элемента, работающего при выключении ЛАД Fy 1=25000 Н/м, при включении F)2=1000 Н/м

6. Разработана методика физического исследования АЛЭМСК и создана экспериментальная машина, позволяющая оценить эффективность предложенного технического решения. Экспериментально определена длина участков сортирования 0,6 м.

7. Экономический эффект на картофелеприемном пункте одной машины в ценах на 1 октября 2011 составили 16649 рублей в год при сроке окупаемости

0.8.года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Журналы, рецензируемые в перечне ВАК:

1. Линенко, A.B. Моделирование работы лииейного асинхронного электродвигателя/ A.B. Линенко, В.Ф. Гильванов // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2010. - №. С. 19-21.

2. Акчурин, C.B. Повышение энергоэффективности инерционного конвейера с линейным электроприводом путем накопления «пусковой» энергии упругими элементами / C.B. Акчурин, A.B. Линенко, В.Ф. Гильванов // Вестник БГАУ, 2011.-№. С. 51-55.

Основные публикации в других изданиях:

3. Патент № 2364564 Российская Федерация, МПК В 65G 25/04. Шагающий конвейер / P.C. Аипов, В.Ф. Гильванов, A.B. Линенко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ-№2008114707/11; заявлен 14.04.2008; опубликован 20.08.2009, Бюл. № 23.

4. Патент № 2370671 Российская Федерация, МКИ F04 В47/06. Насосная установка / P.C. Аипов, В.Ф. Гильванов, Д.С.Леонтьев, A.B. Линенко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ - № 2008130485; заявлен 22.07.2008; опубликован 20.10 2009, Бюл. № 29.

5. Гильванов, В.Ф. Шагающий конвейер для очистки корнеплодов от примесей на базе линейного асинхронного электропривода /В.Ф. Гильванов, A.B. Линенко // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы» Часть I. - Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2008. - С. 230 -232.

6. Аипов, P.C. Исследование неполнофазных режимов работы линейных асинхронных двигателей для технологических процессов АПК./ P.C. Аипов, A.B. Линенко, В.Ф. Гильванов // Материалы XLVIII международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». Часть 2. - Челябинск: ЧГАА, 2009. - С. 175 - 180.

7. Гильванов, В.Ф. Применение линейного электропривода со сложным движением рабочего органа./ В.Ф. Гильванов, A.B. Линенко // Материалы Всероссийской научно-практической конференции в рамках XIX Международной специализированной выставки «Arpo Комплекс- 2009». Часть I. - Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2009. - С. 191 - 195.

8. Гильванов, В.Ф. Применение линейного асинхронного электропривода в установках для послеуборочной обработки картофеля. Материалы Всероссийской научно-практической конференции в рамках XX юбилейной специализированной выставки «Arpo Комплекс- 2010». Часть III. - Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2010. - С. 160 - 162.

9. Линенко, A.B. Установка для послеуборочной обработки картофеля с линейным электроприводом./ A.B. Линенко, В.Ф. Гильванов // Молодежная наука и АПК: материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2010. - С. 125 - 126.

10. Гильванов, В.Ф. Инерционный конвейер с линейным электроприводом для очистки и сортировки картофеля./ В.Ф. Гильванов, A.B. Линенко// Материалы L международной научно-технической конференции «Достижения науки -агропромышленному производству». Часть V. - Челябинск: ЧГАА, 2011. -С. 42 - 45.

11. Гильванов, В.Ф. Экспериментальное исследование инерционного конвейера для очистки и сортировки картофеля с линейным электроприводом. /В.Ф. Гильванов, A.B. Линенко // Научное обеспечение развития АПК в современных условиях: материалы Всероссийской научн.-практ. конф. В 3 т. Т.З / ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2011. - С.63-66.

Подписано в печать 27.02.2012. Формат бумаги 60x84 !/16. Усл. печ. л. 0,98. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура «Тайме». Заказ 127. Тираж 100 экз.

Типография ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» 450001, г.Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.

ел т^-э/^ио

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ «Башкирский государственный аграрный университет»

РАЗРАБОТКА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Гилъванов Вадим Фанилевич

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент А.В. Линенко

Ижевск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1 Состояние проблемы сортирования картофеля 9

1.2 Агротехнические требования к машинам для сортирования картофеля 11

1.3 Обзор машин для сортирования картофеля 15

1.4 Особенности сортирующих органов грохотного типа 27

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ 34

2.1 Повышение эффективности работы машин грохотного типа для сортирования картофеля 34

2.2 Разработка машины для сортирования картофеля на базе линейного

40

асинхронного электропривода ™

2.3 Условия перемещения картофеля инерционным способом 50

2.4 Кинематическая схема инерционного конвейера с линейным асинхронным электроприводом и его математическая модель 52

2.5 Математическая модель инерционного конвейера с линейным асинхронным электроприводом в среде МайаЬ (БтиНпк) 63

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ

3.1 Задачи исследований

3.2 Влияние коэффициента жесткости упругих элементов на

67

68 68

эффективность работы автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования картофеля 69

3.3 Влияние напряжения питания и полюсного деления линейного асинхронного двигателя на эффективность работы автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования

картофеля 'э

3.4 Амплитудно - частотные характеристики автоколебательного линейного асинхронного электропривода машины для сортирования

ПС

картофеля '

3.5 Выводы по главе 78 ГЛАВА 4 МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЛИНЕЙНОГО

АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ 79

4.1 Программа экспериментальных исследований 79

4.2 Описание экспериментальной установки 79

4.3 Методика экспериментальных исследований, анализ полученных результатов

4.4 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований

4.5 Определение точности сортирования и производительности сортировальной машины

4.6 Математическая обработка результатов экспериментов 99

4.7 Расчет технико-экономических показателей 102

4.8 Выводы по главе ^7 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 108 БИБЛИОГРАФИЯ 110 ПРИЛОЖЕНИЯ

88

94

96

ВВЕДЕНИЕ

Картофель относится к одной из важнейших сельскохозяйственных культур, и в России он стал «вторым хлебом», 90 % которого производится в неспециализированных личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйствах.

В настоящее время, на сортирование картофеля в хозяйствах приходятся значительные затраты труда, из-за низкой механизации и электрификации технологического процесса. Серийное производство машин для сортирования картофеля практически прекратилось, вследствие их большой стоимости и низкой надежностью работы, что обусловлено большим числом вращающихся и выходящих из строя деталей, поэтому в хозяйствах резко возросла доля ручного труда при сортировании картофеля. Использование устаревшего, изношенного и энергоемкого оборудования не эффективно. Диспаритет цен между сельскохозяйственной продукцией и цен на оборудование и энергоносители требуют совершенствования технологий и технических средств при производстве сельскохозяйственной продукции.

В связи с этим создание машин для сортирования картофеля с высокими технико-экономическими показателями является актуальной задачей.

Актуальность выбранного направления подтверждается соответствием данной темы разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г».

Цель работы: повышение эффективности машины для сортирования картофеля путем разработки автоколебательного линейного асинхронного электропривода.

Задачи исследования:

1. Разработать эффективный автоколебательный линейный асинхронный электропривод машины для сортирования картофеля (АЛЭМСК) с учетом агротехнических требований к картофелесортировальным машинам.

2. Разработать математическую модель для исследования АЛЭМСК.

3. Разработать методику физического исследования АЛЭМСК; создать экспериментальный стенд АЛЭМСК и провести ее исследование; проверить адекватность разработанной математической модели.

4. Исследовать влияние параметров АЛЭМСК на характеристику автоколебательного процесса рабочего органа машины и на эффективность сортирования картофеля.

Объект исследования: автоколебательные процессы в приводе машины для сортирования картофеля.

Предмет исследования: закономерности изменения параметров автоколебаний в линейном электроприводе машины для сортирования картофеля в зависимости от ее конструктивных параметров и массы картофеля.

На защиту выносятся следующие научные положения:

оригинальная конструкция безредукторного АЛЭМСК;

математическая модель АЛЭМСК;

результаты теоретических исследований, обосновывающие конструктивные и технологические параметры сортировальной машины;

результаты исследования экспериментальной машины для сортирования картофеля с автоколебательным линейным асинхронным электроприводом.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

машина для сортирования картофеля с повышенными технологическими характеристиками на базе безредукторного автоколебательного линейного асинхронного электропривода за счет исключения промежуточных преобразователей вращательного движения в поступательное;

- математическая модель, позволяющая исследовать технологические и электромеханические процессы автоколебательного линейного асинхронного электропривода с учетом конструктивных параметров привода машины и массы картофеля;

- результаты исследования амплитудно-частотной характеристики в зависимости от массы картофеля, напряжения питания, жесткости упругих элементов и закономерности изменения скорости транспортирования и производительности машины от жесткости упругих элементов при различных массах картофеля;

- экспериментально полученные зависимости, отражающие качество сортирования картофеля от скорости рабочего органа, производительность от жесткости упругих элементов при различных массах картофеля, а также амплитудно-частотные характеристики в зависимости от массы картофеля. Новизна технического решения защищена патентом РФ.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что на их основе был разработан и опробован оригинальный АЛЭМСК. Разработанная математическая модель,

установленные взаимосвязи могут быть использованы при проектировании машины для сортирования картофеля с автоколебательным линейным электроприводом. Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по построению энергосберегающего автоколебательного линейного электропривода. Стенд АЛЭМСК можно использовать для многостороннего физического исследования машины.

На основе проведенных в рамках диссертационной работы исследований была разработана и принята к внедрению АЛЭМСК в Управлении сельского хозяйства Караидельского района Республики Башкортостан; в СПК "Халилово".

Результаты теоретических и экспериментальных исследований машины для сортировки картофеля на базе автоколебательного линейного электропривода используются в учебном процессе Башкирского ГАУ по дисциплинам: «Электропривод», «Автоматизированный электропривод».

Личный вклад автора. Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований, результаты экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены лично автором. Совместно с научным руководителем, к.т.н., доцентом Линенко A.B. разработана конструкция АЛЭМСК, ее математическая модель и приведены теоретические исследования.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на 7 научно-технических, а также на ежегодных внутривузовских конференциях, в том числе: на II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы» (Уфа, 2008); на XLVIII-й и L-й научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии (Челябинск, 2009г., 2011г.); на Всероссийских научно-практических конференциях в рамках XIX

и XX Международной специализированной выставки «Arpo Комплекс- 2009» и «Arpo Комплекс- 2010» (Уфа); на Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ «Молодежная наука и АПК» (Уфа, 2010); на Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях» (Ижевская ГСХА, 2011, 1-ое место).

Публикации. По материалам диссертационной работы получено 2 патента РФ, опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературных источников из 123 наименований и 14 приложений. Основное содержание работы изложено на 120 страницах, содержит 57 рисунков.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состояние проблемы сортирования картофеля

Сортирование картофеля является одной из самых важных операций при его производстве.

В работе академика В.П. Горячкина «О сортировании картофеля» [26] впервые была установлена зависимость между весом клубня G и его тремя основными размерами: а, bue- длиной, шириной и толщиной клубня.

G = s-a-b-c,

где е - коэффициент, учитывающий геометрию, £-=0,56...0,65; а - длина клубня, м; b - ширина клубня, м; с - толщина клубня, м.

В итоге пришли к выводам, что:

- точно разделить клубни картофеля по величине (длине, ширине и толщине) невозможно ни решетами с круглыми или продолговатыми отверстиями, ни специальными триерами.

- для должной точности разделения картофеля на фракции клубни необходимо сортировать по массе, которая является критерием запаса питательных веществ. Существующие же в настоящее время сортировки (с цилиндрическими и плоскими решетами) могут считаться удовлетворительными только для практических, рыночных целей.

Далее подробное изучение физико-механических свойств картофеля производилось в НИИКХ Е.А. Глухих [91]. Вначале он приводит формулу X. Цед-лера для характеристики формы клубней:

f _ (a-r)+(b-r)+(c-r) ' ~ 3 г '

где г- приведенный радиус клубня, м, равный:

г = У abc ,

где a, bue- соответственно длина, ширина и толщина клубня, м.

Затем Е.А. Глухих, упростив формулу объема эллипсоида (представив

abc I, я 1ч 1

при замене полуоси эллипса как -, - и - и коэффициент - как -), приводит фор-

Z Z ^ ¿t ¿л

мулу для расчета веса клубня:

„ j abc Cr = а—, 2

где d- удельный вес клубня.

Если учесть, что при делении числа я на 6 точное значение получается

-= 0,523, то в расчетах Е.А. Глухих присутствует ошибка в 4,4 %, которая из-

6

меняет численные значения частных уравнений и расчетные значения удельного веса клубней.

Физико-механические свойства клубней картофеля рассмотрены также в работах Ю.И. Кириенко и Л.И. Манпиль и др. ученых [50, 51, 52, 73, 74, 25, 32,33].

В разделе «О принципах сортирования картофеля» Е.А. Глухих рассматривает оценку способов сортирования картофеля по размерам и впервые делает попытку определить точные размеры клубней в зависимости от требуемой массы.

Ремённым и плоскорешётным картофелесортировальным машинам посвятили свои научные работы Сорокин A.A., Арсеньев Д.А. и Мосин В.М. [103,8, 9, 78].

Вопросами проектирования и расчёта роликовых картофелесортировок и картофелесортировальных пунктов в целом занимались такие видные учёные, как Колчин Н.Н, Каламин А.И., Макаров В.А. [55, 56, 57,58,47,69].

Вопросом проектирования и расчета барабанных картофелесортировальных машин занимался Юрасов B.C.

Кроме того, Колчиным H.H. и Сорокиным A.A. была предложена рациональная схема технологического процесса разделения клубней картофеля на фракции, при которой в первую очередь должна отделяться крупная фракция.

Это позволило увеличить производительность картофелесортировок на 25-40% без снижения точности сортирования.

Работы Н.В. Шабурова [112, 113, 114, 115] посвящены теоретическим исследованиям и разработке транспортерных сетчатых картофелесортировальных машин с эластичной капроновой сортирующей поверхностью, которые внедрены в модульных сортировках стационарных картофелесортировальных пунктов СКСП-25.

Классификация принципов сортирования и типов сортировальных органов, а также исследования комбинированного барабанно-роликового рабочего органа приведены в работе И.А. Гребенюк [31].

Вопросы теории движения частицы по шероховатым поверхностям, в частности по внутренней поверхности барабанных рабочих органов, отражены в работах П.М. Василенко и M .Я. Резниченко [15, 90].

Совершенствованию грохотных рабочих органов картофелесортировальных машин посвящены работы П.Н. Волосевич, Е.Н Миркиной, C.B. Душаева [21, 77, 37, 97]. В своих работах по повышению качества работы картофелесортировок грохотного типа М.Ю Васильченко и М.Н. Суховский [16, 107] применили в качестве рабочей сортирующей поверхности эластичную сетку.

Повышение эффективности барабанных сепараторов рассмотрено в работах Л.М. Максимова, П.Л. Максимова и С.П. Игнатьева [70, 71, 72, 45].

Проведённый анализ состояния проблемы сортирования клубней картофеля и состояния исследований позволяет наметить пути дальнейшего совершенствования технологического процесса сортирования клубней и технических средств для его осуществления.

1.2 Агротехнические требования к машинам для сортирования

картофеля

Технологическим процессом производства картофеля предусматривается сортирование картофеля на трех этапах: при подготовке семенного материала к

посадке, в процессе послеуборочной доработки урожая клубней и при подготовке продукции к реализации. При сортировании клубни картофеля разделяют на три фракции, отделяют от посторонних примесей, больных клубней и подают в тару или транспортные средства.

По агротехническим требованиям, приводимым в источнике [105], карто-фелесортировки должны разделять картофель на три фракции по массе: крупную - продовольственную (товарную) - массой более 80 г), среднюю - семенную (массой 50 - 80 г) и мелкую - кормовую (массой 30 - 50 г). Картофель массой меньше 30 г идет в отходы. В каждой фракции допускается не более 10% клубней других фракций. Количество клубней, получивших при сортировании механические повреждения, не должно превышать 1 %.

В работах Колчина Н.Н. указано [58], что продовольственный картофель осенью разделяют на две фракции, т.е. из всей массы картофеля выделяют мелкие нетоварные клубни размером по ширине 35 мм или массой 25 г. По этой же границе отделяют мелкие клубни от семенного картофеля. Из оставшейся массы семенного картофеля выделяют самые крупные клубни (по ширине 61 мм или массой свыше 120 г). Клубни, оставшиеся между этими границами, после хранения (весной) для посадки разделяют на три фракции: 25...50 г (35...45 мм); 50...80 г (45...53 мм); 80...120 г (53...61 мм).

Соотношения различных размерных характеристик и массы при разделении клубней картофеля на фракции в соответствии с действующими агротехническими требованиями приведены в таблице 1.1, где Ъ и с - ширина и толщина клубня, 8 - размер квадратного калибрующего отверстия равный:

5 = 0,707л/Ь2 + с2.

ГОСТ 7001 - 89 Картофель семенной устанавливает размеры семенного картофеля по наибольшему поперечному диаметру: для сортов с удлиненной формой клубней - 28 - 55 мм; для сортов с округло-овальной формой клубней 30-60 мм. При этом допускается наличие клубней не отвечающих требованиям по размеру, не более 3% по счету.

Таблица 1.1. Границы (числитель) и интервалы (знаменатель) фракций при сортировании клубней картофеля по различным размерным признакам

Фракция Границы и интервал фракций

Массовые, г Ь, мм с, мм мм

Отходы До 30/30 33/33 г 32/32 26/26

Мелкая 31...50/19 33...40/7 43/11 34/9

Средняя 51...70/19 40...46/6 51/8 42/7

Крупная 71...120