автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Совершенствование монорельсовых внутренних транспортных систем предприятий агропромышленного комплекса путем применения линейного асинхронного двигателя

На правах рукописи

Самсонов Юрий Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОНОРЕЛЬСОВЫХ ВНУТРЕННИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ПАЙ 2014

Санкт-Петербург - Пушкин - 2014

005548078

005548078

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СПбГАУ) на кафедре «Электрических машин и электрооборудования».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Епифанов Алексеи Павлович

Официальные оппоненты:

Аипов Рустам Сагитович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических машин и электрооборудования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет»,

Мухин Евгений Александрович, кандидат технических наук, инженер отдела комплектации ОАО «Мурманский морской торговый порт».

Ведущая организация:

государственное научное учреждение «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ГНУ СЗ НИИМЭСХ).

Защита диссертации состоится «26» июня 2014 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д220.060.06 на базе ФГБОУ ВПО СПбГАУ по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2, лит. А, ауд. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО СПбГАУ Автореферат размещён на сайте http://www.spbgau.ru , http://vak2.ed.gov.ru .

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Сельское хозяйство, как никакая другая отрасль, характеризуется широким спектром машин и механизмов, отличающимся видами и параметрами движения исполнительного органа, режимами и условиями работы, приводными характеристиками.

Широкое использование автоматизированного электропривода позволит повысить производительность труда и конкурентоспособность отечественных продуктов. Сказанное относится к животноводству, полеводству, послеуборочной обработке зерна, тепличным хозяйствам, приготовлению и раздаче кормов, водоснабжению. Особенно остро стоит вопрос снабжения населения свежими овощами в зимнее время (северные районы), что требует резкого увеличения площадей тепличных хозяйств.

Производительность труда в животноводческих комплексах и тепличных хозяйствах во многом зависит от систем внутреннего транспорта: раздача кормов, уход за растениями в теплицах, внесение удобрений, сбор и транспортировка урожая.

В последнее время за рубежом используются системы внутреннего монорельсового транспорта (фермы) в основном для раздачи комбикормов. В теплицах такой тип транспорта рационален для центрального коридора, то есть вывоза продукции. В таких транспортных средствах используется электропривод по схеме: электродвигатель (ЭД) - редуктор - ведущие ролики - монорельс. Такой системе свойственны недостатки: загрязнение и пробуксовка роликов, сложная кинематическая схема.

В работе рассматривается монорельсовая транспортная система с электроприводом на базе линейного асинхронного двигателя. Такой тип привода упрощает кинематическую схему, повышает надежность.

Цель работы: совершенствование систем монорельсового внутреннего транспорта животноводческих комплексов и тепличных хозяйств путем применения линейного асинхронного двигателя.

Для достижения сформулированной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ используемых транспортных систем в тепличных хозяйствах и животноводческих фермах.

2. Разработать компоновочную схему монорельсового транспортного средства с линейным асинхронным двигателем.

3. Обосновать выбор методики расчета характеристик линейного асинхронного двигателя (ЛАД) и на её основе выполнить анализ влияния параметров на показатели машины.

4. Выполнить расчетно-теоритические исследования характеристик ЛАД в зависимости от основных конструктивных параметров и сформулировать последовательность выбора их рациональных значений.

5. Разработать и создать экспериментальную полномасштабную модель монорельсового тягового модуля с ЛАД и питанием от преобразователя частоты (ГТЧ). Выполнить комплекс экспериментальных исследований, позволяющий выявить особенности работы ЛАД, оценить достоверность используемой методики по магнитному полю в зазоре и интегральным характеристикам в диапазоне частот (5-^15) Гц.

Объект исследования: линейный асинхронный электродвигатель в составе электропривода транспортного модуля.

Предмет исследования: тягово-энергетические показатели ЛАД в зависимости от конструктивных параметров.

Методы исследования: для исследования поставленных в диссертационной работе задач использовалась методика расчета характеристик ЛАД, базирующаяся на рассмотрении 3-х мерного магнитного поля в зазоре; элементы теории планирования эксперимента; экспериментальные исследования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Компоновочная схема тягового модуля с односторонним линейным асинхронным двигателем монорельсовой транспортной системы для животноводческих ферм и теплиц.

2. Разработка и создание полномасштабной модели тягового модуля монорельсовой транспортной системы на основе одностороннего ЛАД (ОЛАД), позволяющая веста натурные исследования режимов работы и влияния конструктивных параметров на характеристики.

3. Результаты расчетно-теоретических исследований основных характеристик ОЛАД в виде линейных полиномов, которые позволяют на стадии разработки определить наиболее рациональные значения параметров и тягово-энергетические показатели.

4. Сформулирована последовательность определения основных параметров по заданному тяговому усилию.

5. Результаты экспериментальных исследований магнитного поля в зазоре и интегральных характеристик при различных частотах.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Разработка и создание полномасштабной модели монорельсового транспортного модуля с односторонним линейным асинхронным двигателем.

2. Результаты экспериментальных исследований ЛАД по магнитному полю в зазоре, интегральным характеристикам.

3. Установлены ограничения на значения параметров по насыщению обратного магнитопровода (полки монорельса).

4. Результаты расчетно-теоритических исследований характеристик ЛАД в зависимости от основных конструктивных параметров и последовательность выбора их рациональных значений.

Практическая ценность работы и реализация её результатов: в ходе диссертационного исследования создан полномасштабный модуль монорельсовой транспортной системы с линейным асинхронным электродвигателем. Полученные расчетио-теоретические и экспериментальные результаты позволяют сформулировать рекомендации по проектированию низкоскоростных монорельсовых транспортных систем с линейным асинхронным электродвигателем. Полученные результаты могут быть полезными и для других технологических линий в АПК.

Результаты исследования приняты к использованию в учебном процессе и научной работе ФГБОУ ВПО СПбГАУ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач исследований, использованием проверенной методики расчета характеристик ЛАД, элементов теории планирования эксперимента, результатами экспериментальных исследований лабораторной модели двухстороннего ЛАД (ДЛАД) и полномасштабного тягового модуля.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на 7 научно-практических конференциях, в том числе на Международной научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии» (Москва, 2011г., ФГОУ ВПО МГАУ)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 статей, в том числе 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованной литературы, включающего в себя 101 наименований, и приложения. Основное содержание работы изложено на 138 страницах текста, содержит 49 рисунков, 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и поставлены задачи исследований, представлена общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены наиболее распространённые транспортные системы тепличных хозяйств и животноводческих комплексов.

Наибольшее распространение в тепличных хозяйствах получили ручные тележки, направляющими у которых служат трубы обогрева теплиц, расположенные между рядами. В центральном коридоре для сбора и вывоза урожая используются минитракторы и электропогрузчики.

В животноводческих комплексах, как правило, используются самоходные или прицепные кормораздатчики, агрегатируемые с трактором.

В последние годы всё более широкое применение находят подвесные роботы-кормораздатчики, передвигающиеся по монорельсу.

Такой способ передвижения имеет ряд преимуществ по сравнению с приводом от трактора и тем более ручным трудом: необходимая площадь для проезда транспортной системы сокращается по сравнению с прицепным или самоходным кормораздатчиком; уменьшение загрязнения движущихся устройств и, как следствие, уменьшение вероятности выхода их из строя; экологичность, так как используется электроэнергия.

Монорельсовые системы также имеют и ряд недостатков: использование подвесных систем возможно только при наличии монорельса, в связи с этим появляются сложности, связанные с конструктивным исполнением; сложная кинематическая схема (рисунок 1).

Особенностью редукторов для подвесных конвейеров является потребность в интегрированной в редуктор механической муфтой сцепления для разделения силового потока. В случае неисправности оно позволяет легко перемещать ходовой механизм вручную или буксировать его с помощью специального тягового устройства в пределах рабочего участка

Предложен альтернативный тип электропривода для транспортных систем в тепличных хозяйствах и животноводческих фермах на базе ЛАД с питанием от ПЧ.

Рассмотрены конструктивные схемы исполнения ЛАД и возможности его использования в промышленности и АПК.

Во второй главе предложена компоновочная схема тягового модуля на основе ЛАД (рисунок 2). Предлагается использовать односторонний ЛАД (ОЛАД) с расположением индуктора снизу. Такая схема позволит использовать нормальное усилие притяжения для разгрузки роликов, то есть снижения сил сопротивления.

Рисунок 1 Кинематическая схема привода «мотор-редуктор-колесо» ЭД — электродвигатель; М - муфта; Р — редуктор; К — колесо

[ \ /\ А ) \ б \ \ "I / /

/ \ / ч

■ИШЮТЧИЙ

(01 4 © @

1-двутавр монорельсовый; 2-поддерживающий ролик; 3-медная или алюминиевая шина; 4-индуктор ЛАД

Рисунок 2 Компоновочная схема тягового модуля с использованием одностороннего ЛАД, с расположением индуктора снизу

Обоснован выбор методики расчета характеристик ЛАД. Основными требованиями к методике являются точность расчетов характеристик, возможность анализа ЛАД различного конструктивного исполнения, решение в аналитическом виде и работающая программа для ПК. Наличие в конструкции ЛАД массивных сплошных сред (реактивная шина, обратный магнитопровод в одностороннем ЛАД) предопределяет построение методик расчета на основе решения уравнений электромагнитного поля в зазоре и РШ. Краткий анализ разработанных расчетных моделей (одно-, двух- и трехмерных), опыт проектирования и создания ЛАД показали, что указанным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют трехмерные расчетные модели, в частности, разработанная в ЛПИ под руководством профессора Скобелева В.Е. математическая модель, методика и программа расчета локальных и интегральных характеристик: индукции в зазоре В/, плотности тока в РИТ, электромагнитных сил (силы тяга Рх и нормального усилия и мощности Бы, энергетических показателей - КПД и созгр. Эта расчетная модель (рисунок 3) и методика приняты к использованию в диссертационной работе.

Модель соответствует двухстороннему ЛАД или одностороннему (ОЛАД) с расслоенным обратным магнитопроводом и сплошной РШ, состоящей из двух слоев: и йъ (для ОЛАД с1г12 аУ2). Основные допущения, принятые при постановке задачи, в основном, являются общепринятыми для подобных задач: для сердечников индуктора цРе=со и уГе=0, Дрл=0, <У=5-кг, /12=сот1, у2=сопз1; /^сош^ -/з=соп.ч1 (модель - линейная). При расчетах заданными являются ток /[=соп51 (или Л=сопз1), конструктивные параметры и физические свойства материалов. Для расчетов характеристик ОЛАД слон с/3/2 рассматривается кк обратный массивный магнитопровод при щ= /лре=со1и1.

а)

б)

3-1 «г.

у=0 I

'/"Г? ¿г ^/у^л

/........Ц г»

уу? 'А *. *'л?:. ">

л-™. Л-» !К>

V.

ЛУ-

V.

Рисунок 3 Трехмерная расчетно-математическая модель ДЛАД: а - общая схема ДЛАД, б — продольный разрез (по оси х), в - распределение МДС по оси х, г - распределение МДС по поперечной оси 2.

Исходными для области зазора и РШ будут уравнения электромагнитного поля Максвелла, выраженные через векторный магнитный потенциал, решение которых выполнено методом разделения переменных; постоянные интегрирования определены из граничных условий для составляющих напряженностей электрического и магнитного полей в плоскостях >==0, у=сИ2, у=5. Окончательные выражения для , и Бзм получены в виде двойных рядов

Фурье.

Например, для индукции в зазоре :

В5,у = -/¿2пЪ С, ■ упсоБ™НскХу + С2вНХу) ехрДа* + (1)

В рамках принятых допущений решение учитывает исполнение индуктора, обмотки и вторичной структуры, влияние концевого эффекта.

Выражения характеристик реализованы в программе для ПК со всеми возможностями полученного решения по исполнению ЛАД.

Для определения общих характеристик (Рх, г], соя/р, и^/^)) с учетом параметров первичной обмотки в программе реализован расчет активного, индуктивного и главного сопротивлений по задаваемым геометрии зубцового слоя и обмоточным данным на основе известных соотношений.

Выполненные многочисленные расчеты реальных ЛАД различного исполнения показали высокую степень достоверности методики.

Расчетами обосновано наиболее рациональное исполнение вторичной структуры в виде шлицованной РШ, позволяющее свести к минимуму влияние поперечного краевого эффекта.

С учетом принятой методики расчета и имеющегося опыта разработки, создания низкоскоростных (до 5 км/ч) промышленных ЛАД, а также данных вращающихся АД серий 4А, АИР выбраны (предварительно) значения основных

конструктивных параметров ОЛАД транспортного модуля: <5=(2^4) мм, еЛ/2=2 мм, 72=4,6-107 См/м, 2р-4, т=(0,15-0,2) м, Л=(25-35)-103 А/м, У=(4-5) А/мм2, 2с=0,15

м,/1=(8^12)Гц; обмотка-однослойная, д-З, Ь„=0,5ЛЬ ^- = (2,5 + 3,5), где г.-зуицоное

Ьп

деление.

Так же произведен расчет тягово-энергетических характеристик по схеме замещения, с вышеуказанными конструктивными параметрами.

Выявлено, что расхождение до 25% обусловлено тем, что массивные элементы, учитываются приближенно.

Установлено, что в указанных габаритах возможно реализовать необходимое для преодоления сил трения тяговое усилие в установившемся режиме ~ /%„р=390 Н (со5р=0,8, КПД ^=0,34). Тяговое усилие в режиме пуска обеспечивается усилением поля, что осуществимо в ненасыщенных машинах, каковой и является ЛАД.

Третья глава посвящена анализу и расчетно-теоретическим исследованиям тягово-энергетических показателей ОЛАД тягового модуля в установившемся режиме при /1=сош1 04=30000 А/м).

Наличие массивного ОМ (А/2=/=Р мм) ухудшает все показатели ОЛАД, поэтому в таких системах существуют ограничения по индукции в зазоре В$у, линейной токовой нагрузке А, полюсному делению г по условиям насыщения ОМ. Дополнительно, для переменного магнитного поля в проводящей среде величина глубины проникновения X может рассматриваться, как ограничение, следовательно А>/ (/ - толщина полки монорельса).

Для получения приемлемых для практики результатов необходимо, чтобы Цгз~200, при этом Впм<\,1 Тл. Например, при /=9 мм, г=0,2 м индукция в зазоре ограничена величиной Дь<0,22 Тл.

Исходя из сказанного, параметры ОЛАД, в том числе и линейная токовая нагрузка, должны выбираться согласованно.

В качестве исследуемых характеристик приняты: относительное скольжение эт, при котором достигается наибольшая сила тяги тяговое усилие на единицу площади активной поверхности индуктора Тхт, электромагнитные и общие КПД и коэффициент мощности - ц, соьгр^,, со.^гр.

Цель исследования - установление простых и удобных для практического использования количественных соотношений между основными характеристиками ЛАД и конструктивными параметрами. Полученные результаты должны послужить основой для определения рациональных значений параметров при разработке подобных ЛАД и оперативной оценки характеристик машины.

Указанные выше характеристики ЛАД согласно расчетной модели (рисунок 3) могут быть записаны в виде функциональных зависимостей:

5„,=Д(52р, т,/и 2с, Ь, с!:, /2), 1худи„= А<>г,/], 2с, I, >'2, Л), ?/э.„, с(^<рэл,=/{52р, г,/|, 2с, с!2, уг), 7, соь<р=1{ё', 2/7, г,/ь 2с, ь, (¡2, у2, -л,

(2)

(3)

(4)

(5)

В качестве основных параметров (независимых переменных) из указанных в (2-5) выбраны: немагнитный зазор Д=25+^2 или воздушный зазор д' при с/^сог^; полюсное деление г, электропроводность РШ, интегральная С^угсН или удельная уг при й?2=сопз1. Возможности выбора величины уг ограничены материалами (алюминий, его сплавы или медь). Остальные параметры приняты постоянными или зависимыми. Параметры первичной обмотки задаются по общепринятым для АД соотношениям {д, Л, Ь„, Ь» й„, -Л = 4 А/мм2=соп51).

Пределы изменения исследуемых параметров определены с учетом ограничений: габаритных (по высоте и длине), величине зазора 5, материала РШ. Таким образом: 4 мм<Д/2<6 мм, при £/2/2=2 мм, 2 мм<5<4 мм; полюсное деление

0,15 м<г<0,25 м, при этом отношение —>25; 0,92105 См<(?2=у2^2/2<1,14-105 См

А

или при ¿>/2=2 мм=сопз1, 3,5-107 См/м</2£5,7'107 См/м.

При выборе метода исследования характеристик учитывались их свойства

в зависимости от исследуемых параметров и конечная цель исследований. Анализ

свойств функций показал, что они являются монотонными, близкими к линейным,

достигают наибольших (экстремальных) значений на границах интервалов

5ооо Т задания (рисунок 4). Среди НУм"

С05ф

КПД б, о.е.1

методов

поставленной

наибольшей

решения задаче в степени

Рисунок 4 Влияние полюсного деления на исследуемые хапактепистики

отвечает аппроксимация исследуемых показателей линейными полиномами, коэффициенты регрессии которых определяются

использованием теории планирования эксперимента.

Под «экспериментом» здесь понимается расчет характеристик (/,'т<), г)хи, г со5^31„ С(мр=Д5)) ЛАД по принятой трехмерной методике, а под «планом» - план проведения расчетов. Используется ортогональный план первого порядка ПФЭ23 (полный факторный эксперимент), когда три фактора (параметра) изменяются на

двух уровнях - нижнем и верхнем, то есть принимают граничные значення. Следовательно, необходимо выполнить расчеты характеристик для 8 узлов при сочетаниях параметров, определяемых план-матриией ПФЭ23.

Уравнение регрессии имеет вид:

У=Ь,+ + + X'V.V, • (б>

1 Silk lüiSk lsjsi

lijsA 1 Zjsk

l<</<i

Коэффициенты bo, b„ b,j, brtq определяются по результатам расчета функций в узлах.

После выполнения расчетов в 8 узлах и для средних значений, значения функций {fxyb, ?/э.„, rj, сох(рэл„ cos<p=fls)) для интервала z=(0,15-Ю,20) м получены полиномы:

Тт = 3600 - 5805 + 353т + 0у2 + 34т5 + 1А85у2 - 9,72tyJ + 31,945ту2, Sm = 0,388 4- 0,0255 - 0f - 0.038Й + 0,013т5 - OSyi + OryJ + 0,013йту2 , ц = 0,324-0,0315 - 0,039f + O.Olfi + 0,01т5 + 0Sy2 - 0туг ~ 0Sry2 , (7)

C0S(p= 0,768 - 0,0045 + 0,024т + 0,015у^ + 0,012т5 + 05у~г 4- 0ту1 + 0,015ту2, цэм = 0,618 - 0,0265 + 0,007т + 0,038^ - 0,013т5 + 08у^ - ОтуГ - 0,01Sry2 , cos<fb„= 0,621 - 0,0175 4- 0,029f + 0,005/^ + 0,03т5 + 0,0 läy^ - Отyj - 05ту2 .

Степень адекватности полученных полиномов исходной расчетной модели проверялась на нулевом уровне (по Ьо), в узловых точках и для произвольных сочетаний параметров из области их задания. Во всех случаях расхождения результатов не превышают 5%.

Результаты по основным показателям ЛАД в виде таблиц, графиков и полипомов в зависимости от конструктивных параметров являются наглядной, простой, обоснованной, достаточно точной и удобной для практического использования информацией по исследуемому классу машин.

Приводится практический пример решения такой задачи для ЛАД транспортного модуля.

В четвертой главе рассмотрены экспериментальные исследования лабораторной модели и полномасштабного макета монорельсового транспортного модуля с линейным асинхронным двигателем.

В опытах лабораторной модели ДЛАД варьировались значения отношения U/fr, частота fi от 10 до 30 Гц, при этом фазные токи фиксировались по показаниям на экране ПЧ, а также осцилографированием. Скорость движения шины измерялась с помощью механических датчиков и реле времени. При этом синхронная скорость vc=2xfi, скорость движения d=(1-s)üc, отсюда определялось скольжение s. (рисунок 5)

В таких машинах регулирование силы тяги ЛАД возможно ослаблением или усилением поля, что особенно важно при трогании с места и разгоне транспортных единиц большой массы.

12 10

6 4 2 0

■А"

Л, Гц

35

1 - при {//¡0=5,5; 2 - при и//,=4,4; — — расчет; ■ " — опыт

Рисунок 5 Зависимость силы тяги от частоты питающего напряжения

Рассмотрены электрическая принципиальная схема электропривода, 4-х квадрантный режим работы системы ГТЧ-ЛАД. Управление экспериментальным полномасштабным макетом ОЛАД выполняется с помощью напольного пульта управления, подключенного к ПЧ. Схема позволяет изменять необходимые параметры выходного напряжения, частоты, совершать пуск, торможение, реверс.

Электромагнитная совместимость узлов установки и всей системы в целом (уровень помех, помехоустойчивость) достигается в основном выполнением требований к монтажу: тип и длина кабеля, экран, заземления, фильтры

На полномасштабном макете монорельсового тягового модуля с ОЛАД исследовались магнитное поле в зазоре и нормальные силы. Магнитная индукция в зазоре В^,(х) при ¿=2мм измерялась с помощью преобразователей Холла, а поток в зазоре и ОМ - милливеберметром и рамками по полюсному делению и поперечному сечению ОМ при питании обмоток постоянным током. На рисунке 6 представлены кривые распределения Вьу(х) для двух схем питания обмоток. Видно

что при длине

двухслойной

полузаполненными

индуктора обмотке

4т,

с

крайними

Рисунок 6 Распределение магнитной индукции Взу вдоль индуктора для 2-х схем питания обмоток

зонами число магнитных полюсов 2р=3, что является причиной пульсирующего магнитного потока в зазоре.

Распределение индукции по поперечной оси В^г), как и следовало ожидать, равномерное, с быстрым спадом в зоне лобовых

частей. Следует отметить, что магнитная система остается ненасыщенной при

40

изменении постоянного тока до 40А (эквивалентный А).

При планом изменении тока фиксировался момент притяжения тележки, то есть нормальное усилие притяжения пропорциональное квадрату индукции в зазоре (/'_,.точка на рисунке 8)

Необходимое тяговое усилие для преодоления сил трения в зависимости от величины подвешенного груза Б (рисунок 7) измерялось по схеме: тележка с грузом —> горизонтальный шнур —» ролик на подшипнике качения —► калиброванный груз величина которого и определяет силу тяги (трения). Фиксировались грузы (7 и 0\, скорость движения о (равномерное движение). Оказалось, что коэффициент трения качения в выражении Ртр = ктр где К -

радиус ролика, незначительно зависит от груза С7 и скорости. Для данной установки получено &ф=0,002 в диапазоне грузов до 6000Н. Таким образом, опыты подтвердили пропорциональную зависимость между величинами груза б и силы трения Ргр. Например, сила трения ^=65 Н при грузе (7=230 кг.

Рисунок 7 Схема измерения сил трения и тягового усилия

При снятии механических характеристик и питании ЛАД от ПЧ тележка двигалась в обратном направлении, груз G¡ создавал тормозное усилие, а тяговое определялось, как Fx = G1 + fcTp ~ , где /гтр=0,002. Тележка нагружалась дополнительным грузом G=1000H во избежание залипания индуктора в режиме

„ ■ li 50В

холостого хода. Величина напряжения устанавливалась из условия у = —- = 1 с

IxR компенсацией. При этом токи не превышали значения /ф=25А.

Фиксировались: грузы G и Gь ток, частота, скорость движения тележки.

Скольжение определялось как s = , где vc--2if - линейная синхронная скорость.

На рисунке 8 приведены рассчитанные по трёхмерной методике и опытные механические характеристики при /=22А=сопб1 (линейная токовая нагрузка А=30800 А/м).

_- расчет по трехмерной

методике; Ш - опыт 10 Гц; Ш - опыт 15 Гц; •- опыт^у при /п = 28,5 А

Рисунок 8 Рассчитанные и опытные зависимости Гх (б)

Можно констатировать высокую сходимость расчетных и опытных данных, следовательно, сама расчетная модель, методика и программа расчета могут использоваться на практике для проведения исследований характеристик в зависимости от исполнения и значения параметров ЛАД.

Пятая глава. Проводится технико-экономическое обоснование эффективности использования тягового модуля на основе ЛАД на примере тепличного хозяйства. Рассматриваются два варианта:

а) базовый — с использованием 2-х электропогрузчиков для перевоза урожая в центральном проходе (время заряда батареи каждого погрузчика 7-12 часов при работе без подзарядки до 6 часов);

б) разработанный — с использованием монорельсового транспорта на основе ЛАД.

Экономический эффект от внедрения разработанного транспортного модуля достигается несколькими путями:

1.Снижение эксплуатационных затрат от сокращении времени на обслуживание и ремонт транспортных устройств.

2.Снижение энергопотребления двигателя.

3.Снижение ущерба от простоя транспортной системы.

Расчет технико-экономических показателей транспортного модуля на основе ЛАД показал, что при его использовании достигается экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат в размере 109 558 руб.

Доказана экономическая целесообразность использования ЛАД в транспортной системе проектируемых и реконструируемых тепличных хозяйств, как альтернатива распространённым на сегодняшний день электропогрузчикам и минитракторам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненной работы позволяют сформулировать следующие выводы и предложения:

1. Предложена компоновочная схема тягового модуля монорельсовой системы с электроприводом на основе одностороннего линейного асинхронного двигателя (ОЛАД) для внутреннего транспорта животноводческих комплексов и тепличных хозяйств. При этом индуктор расположен снизу и роль обратного магнитопровода (ОМ) выполняет стальная полка двутавра.

2. Для анализа и расчетно-теоретических исследований характеристик ОЛАД в зависимости от конструктивного исполнения и значений параметров обоснована и принята наиболее универсальная и точная методика расчета, базирующаяся на трехмерной полевой расчетной модели ЛАД.

3. Разработана и реализована экспериментальная полномасштабная модель монорельсовой транспортной системы с ОЛАД при питании от преобразователя частоты (электропривод по системе ПЧ - ОЛАД).

4. Результаты экспериментальных исследований магнитного поля в зазоре, нормального и тягового усилий подтвердили:

- работоспособность системы при низких частотах (5-^-10) Гц, скоростях до

2 м/с.

- ограничение индукции В¡у и потока в зазоре Ф,5 по условиям насыщения обратного магнитопровода (полки двутавра).

- сравнение опытных данных с рассчитанными по принятой методике показали высокую точность (расхождения по усилиям и индукции не более 5 %).

5. Анализ показателей ОЛАД в зависимости от параметров показал, что наиболее целесообразным представляется исполнение индуктора с однослойной обмоткой, а вторичной структуры - в виде шлицованной реактивной шины (ШРШ).

6. Обоснован выбор основных характеристик (Тхт, ц, соагр) и конструктивных параметров (<5, у2, т) для проведения расчетно-теоретических исследований.

7. На основе результатов расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей ОЛАД в зависимости от значений конструктивных параметров с использованием теории планирования эксперимента сформулирована последовательность выбора их рациональных значений по заданному тяговому усилию для решения практических задач.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК

Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Епифанов А.П., Малайчук Л.М., Самсонов Ю.А. Монорельсовый внутренний транспорт животноводческих комплексов и тепличных хозяйств с линейным асинхронным электроприводом//Известия СПБГАУ. -2010. - №18, С. 235-242.

2. Епифанов А.П., Малайчук Л.М., Самсонов Ю.А. Расчет характеристик линейного асинхронного электропривода для внутреннего транспорта животноводческих комплексов и тепличных хозяйств //Известия СПБГАУ. — 2010. -№19, С. 343-350.

3. Епифанов А.П., Епифанов Г.А., Самсонов Ю.А. Экспериментальные исследования физической модели низкоскоростного двухстороннего линейного асинхронного двигателя (ДЛАД) // Известия СПбГАУ. -2012 - №29, С. 235-241.

4. Епифанов А.П., Малайчук Л.М., Самсонов Ю.А. Экспериментальные исследования полномасштабного макетного образца линейного асинхронного электропривода для внутреннего транспорта ферм и теплиц. // Известия СПбГАУ. -2013 - №33.

публикации в изданиях, которые не входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Епифанов А.П., Самсонов Ю.А., Экспериментальные исследования физической модели низкоскоростного двухстороннего линейного асинхронного двигателя (ДЛАД).//Известия Международной академии аграрного образования; Петербургская региональная организация инженеров сельского хозяйства, -Санкт-Петербург, -2012, - № 15, т. 2.

2. Епифанов А.П., Самсонов Ю.А., Возможность использования линейного асинхронного привода для монорельсовых внутренних транспортных систем. // Сборник тезисов XXI Международной агропромышленной выставки «АгроРусь 2012», «Энергоэффективность АПК: инновационный путь развития». - Санкт-Петербург, -2012.

Подписано к печати 23.04.14 г. Формат 60х84'/1б. Печ. л. 1. Тираж 100. Заказ 29

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленных оригиналов

в типографии ООО «ЛИТЕРА» г. Пушкин, Академический пр., д. 31



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

сописи

04201459413

САМСОНОВ Юрий Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОНОРЕЛЬСОВЫХ ВНУТРЕННИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.П. Епифанов

Санкт-Петербург - Пушкин - 2014

!

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................5

ГЛАВА 1 ВНУТРЕННИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛИЧНЫХ ХОЗЯЙСТВ И ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ. ТИПЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.........................................................................10

1.1 Внутренний транспорт теплиц.......................................................10

1.1.1 Транспорт между рядами теплиц....................................................10

1.1.2 Транспорт центрального прохода...................................................13

1.2 Транспортные системы животноводческих комплексов.........................15

1.3 Монорельсовый транспорт с электроприводом....................................17

1.4 Электропривод монорельсовых транспортных систем..........................19

1.4.1 Система типа «вращающийся электродвигатель-редуктор-колесо»...........19

1.4.2 Электропривод на базе линейного асинхронного двигателя...................23

1.5 Применение ЛАД в промышленности и сельском хозяйстве (АПК)...........26

1.6 Выводы по главе и задачи работы...................................................28

ГЛАВА 2 МОНОРЕЛЬСОВЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА ОСНОВЕ ЛАД...............................................29

2.1 Компоновочная и структурная схемы тягового модуля с ЛАД................29

2.2 Расчет сил сопротивления движению..............................................31

2.3 Физические особенности работы ЛАД.............................................34

2.4 Расчетные модели ЛАД, краткий анализ...........................................37

2.5 Трёхмерная расчетная модель и методика расчета характеристик............40

2.6 Возможности полученных решений и программы расчета.....................47

2.7 Расчет характеристик по схеме замещения........................................49

2.8 Предварительный выбор основных конструктивных параметров ЛАД для монорельсовой транспортной системы....................................................53

2.9 Пример расчета по схеме замещения...............................................56

2.10 Выводы по главе........................................................................59

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ И РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.............60

3.1 Общие положения и решаемые задачи.................................................60

3.2 Влияние физических свойств материала обратного магнитопровода на характеристики ОЛАД.........................................................................63

3.3 Исследуемые показатели..................................................................66

3.4 Исследуемые параметры и ограничения...............................................68

3.5 Метод исследования........................................................................73

3.6 Результаты исследования..................................................................80

3.7 Последовательность выбора рациональных значений параметров по результатам исследований.....................................................................82

3.8 Практический пример.....................................................................85

3.9 Выводы по главе............................................................................86

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАБРАТОРНОЙ МОДЕЛИ ЛАД И ПОЛНОМАСШТАБНОГО МАКЕТА МОНОРЕЛЬСОВОГО ТЯГОВОГО МОДУЛЯ С ЛИНЕЙНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ......87

4.1 Лабораторная модель двухстороннего ЛАД..........................................87

4.2 Полномасштабный макет тягового модуля монорельсового транспорта с линейным асинхронным электродвигателем..............................................92

4.3 Электрическая принципиальная схема электропривода............................94

4.3.1 Преобразователь частоты, режимы работы, основные характеристики......94

4.3.2 Вопросы электромагнитной совместимости........................................97

4.4 Результаты исследования полномасштабного макета.............................100

4.4.1 Магнитное поле в зазоре и нормальные силы....................................100

4.4.2 Поток в ОМ и ограничения по индукции в зазоре...............................103

4.4.3 Режимы холостого хода и короткого замыкания.................................103

4.4.4 Механические характеристики ь(¥х)...............................................104

4.5 Выводы по главе...........................................................................107

!

ГЛАВА 5 Технико-экономическое обоснование........................................108

5.1 Определение стоимости оборудования и проводимых работ....................108

5.2 Выводы по главе...........................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................113

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.............................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Продолжающийся экономический кризис, в том числе и в области сельского хозяйства, является следствием копившихся в последние годы проблем всего социально-экономического комплекса мирового хозяйства. К ним можно отнести: динамичное развитие экономик стран Азии и возросшее потребление мясомолочных продуктов; рост себестоимости продукции АПК за счет удорожания энергоносителей: низкие урожаи продовольственных культур в некоторых странах из-за погодных условий; финансово-кредитный кризис и другие. Эти процессы затронули и экономику России, которая, по данным Роскомстата импортирует до 40% продовольствия, а по некоторым видам - до 60%. В последние годы в стране со стороны государства предпринимаются меры по укреплению внутреннего продовольственного рынка, снижению зависимости от импорта. Эти меры привели уже к положительным результатам в области производства зерна, мяса (свинина, птица). В итоге, сельское хозяйство (или АПК в целом), призвано обеспечить население качественными и экологически чистыми продуктами.

Продовольственная безопасность страны лежит на путях перехода к интенсивным методам производства, комплексной механизации и электрификации технологических процессов с внедрением современного оборудования. Сельское хозяйство, как никакая другая отрасль, характеризуется широким спектром машин и механизмов, отличающихся видами и параметрами движения исполнительного органа, режимами и условиями работы, приводными характеристиками.

Широкое использование автоматизированного электропривода позволит повысить производительность труда и конкурентоспособность отечественных продуктов. Сказанное относится к животноводству, полеводству, послеуборочной обработке зерна, тепличным хозяйствам, приготовлению и раздаче кормов, водоснабжению. Особенно остро стоит вопрос снабжения населения свежими овощами в зимнее время (северные районы), что требует резкого увеличения площадей тепличных хозяйств.

Производительность труда в животноводческих комплексах и тепличных хозяйствах во многом зависит от систем внутреннего транспорта: раздача кормов, уход за растениями в теплицах, внесение удобрений, сбор и транспортировка урожая.

На фермах широко используются прицепные или самоходные кормораздатчики грубых и комбинированных кормов. При этом удельный вес ручного труда зависит от типа используемой системы.

В тепличных хозяйствах для междурядий применяют, в основном, тележки (ручные, самоходные, с регулированием высоты и другие). Для вывоза продукции по центральному проходу используют, тракторные прицепы, которые загрязняют воздух и требуют значительной площади (стоимость 1 м2 теплицы составляет около 500$).

В последнее время за рубежом используются системы внутреннего монорельсового транспорта (фермы) в основном для раздачи комбикормов. В теплицах такой тип транспорта рационален для центрального коридора, то есть вывоза продукции. В таких транспортных средствах используется электропривод по схеме: электродвигатель (ЭД) - редуктор - ведущие ролики - монорельс. Такой системе свойственны недостатки: загрязнение и пробуксовка роликов, сложная кинематическая схема.

Учитывая изложенное, в работе рассматривается монорельсовая транспортная система с электроприводом на базе линейного асинхронного двигателя. Такой тип привода упрощает кинематическую схему, повышает надежность.

Работа соответствует разделу федеральной программе 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: совершенствование систем монорельсового внутреннего транспорта животноводческих комплексов и тепличных хозяйств путем применения линейного асинхронного двигателя.

Для достижения сформулированной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ используемых транспортных систем в тепличных хозяйствах и животноводческих фермах.

2. Разработать компоновочную схему монорельсового транспортного средства с линейным асинхронным двигателем.

3. Обосновать выбор методики расчета характеристик линейного асинхронного двигателя (ЛАД) и на её основе выполнить анализ влияния параметров на показатели машины.

4. Выполнить расчетно-теоретические исследования характеристик ЛАД в зависимости от основных конструктивных параметров и сформулировать последовательность выбора их рациональных значений.

5. Разработать и создать экспериментальную полномасштабную модель монорельсового транспортного модуля с ЛАД и питанием от преобразователя частоты (ПЧ). Выполнить комплекс экспериментальных исследований, позволяющий выявить особенности работы ЛАД, оценить достоверность используемой методики по магнитному полю в зазоре и интегральным характеристикам в диапазоне частот (5-И 5) Гц.

Объект исследования: линейный асинхронный электродвигатель в составе электропривода транспортного модуля.

Предмет исследования: тягово-энергетические показатели ЛАД в зависимости от конструктивных параметров.

Методы исследования: для исследования поставленных в диссертационной работе задач использовалась методика расчета характеристик ЛАД [39], базирующаяся на рассмотрении 3-х мерного магнитного поля в зазоре; элементы теории планирования эксперимента; экспериментальные исследования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Компоновочная схема тягового модуля с односторонним линейным асинхронным двигателем монорельсовой транспортной системы для животноводческих ферм и теплиц.

2. Разработка и создание полномасштабной модели тягового модуля монорельсовой транспортной системы на основе одностороннего ЛАД (ОЛАД), позволяющая вести натурные исследования режимов работы и влияния конструктивных параметров.

3. Результаты расчетно-теоретических исследований основных характеристик ОЛАД в зависимости от конструктивных параметров в виде линейных полиномов, которые позволяют на стадии разработки определить тягово-энергетические показатели и наиболее рациональные значения параметров.

4. Сформулирована последовательность определения основных параметров по заданному тяговому усилию.

5. Результаты экспериментальных исследований магнитного поля в зазоре и интегральных характеристик при различных частотах.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Разработка и создание полномасштабной модели монорельсового транспортного модуля с односторонним линейным асинхронным двигателем.

2. Результаты экспериментальных исследований ЛАД по магнитному полю в зазоре, интегральным характеристикам.

3. Установлены ограничения на значения параметров по насыщению обратного магнитопровода (полка монорельса).

4. Результаты расчетно-теоретических исследований характеристик ЛАД в зависимости от основных конструктивных параметров и последовательность выбора их рациональных значений.

Практическая ценность работы и реализация её результатов:

В ходе диссертационного исследования создан полномасштабный модуль монорельсовой транспортной системы с линейным асинхронным электродвигателем. Полученные результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований позволяют выбрать значения параметров при проектировании низкоскоростных монорельсовых транспортных систем с линейным асинхронным электродвигателем. Полученные результаты могут быть полезными и для других технологических линий в АПК.

Результаты исследования приняты к использованию в учебном процессе и научной работе ФГБОУ ВПО СПбГАУ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач исследований, использованием проверенной методики расчета характеристик ЛАД, элементов теории планирования эксперимента, результатами экспериментальных исследований лабораторной модели двухстороннего ЛАД (ДЛАД) и полномасштабного тягового модуля.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на 7 научно-практических конференциях, в том числе на Международной научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии» (Москва, 2011г., ФГОУ ВПО МГАУ)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 статей, в том числе 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованной литературы, включающего в себя 99 наименований и 2 приложения. Основное содержание работы изложено на 139 страницах текста, содержит 51 рисунок, 20 таблиц.

ГЛАВА 1 ВНУТРЕННИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛИЧНЫХ ХОЗЯЙСТВ И ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

ТИПЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Внутренний транспорт теплиц

Транспортная система внутри теплиц является одной из важнейших, влияющей на производительность тепличного хозяйства в целом. В настоящее время существует возможность увеличить производительность труда в 1,5-2 раза [1,60,62], но для этого необходимо решить задачу по созданию современной транспортной системы, которая смогла бы справляться с возросшим объёмом продукции.

В существующих хозяйствах транспортная система теплиц состоит из двух основных составляющих:

внутренний транспорт между рядами внутри теплицы; транспорт, собирающий урожай, вывезенный на центральный проход теплицы из междурядий, в блочных теплицах, или транспорт, перемещающийся в тамбурном помещении, соединяющий коридором все выходы из ангарных теплиц.

Рассмотрим каждую составляющую транспортной системы в отдельности.

1.1.1 Транспорт между рядами теплиц

Междурядье - это непосредственно то место, в котором происходит большая часть работы в теплице:

посадка растений; сбор урожая; смена грунта; обслуживание растений.

Все эти этапы в производстве продукции можно ускорить и облегчить при применении транспортных систем, которые позволяли бы перемещать груз между

рядами в теплицах. Существует и достаточно распространена транспортная система, направляющей у которых служат трубы обогрева теплиц, расположенные между рядами. Рассмотрим несколько видов таких тележек.

Самая простая представляет собой обычную тележку, колёса которой имеют вогнутую форму, для перемещения по трубам (рисунок 1.1.).

Рисунок 1.1 Тележка тепличная ручная

Несмотря на очевидные недостатки (ручной труд), она ещё широко используется в теплицах. При её нагрузке передвижение тележки достаточно проблематично, усугубляется это из-за стыков и низкого качества укладки труб, по которым она передвигается, возможно опрокидывание, так как тележка не имеет фиксирующих устройств. Кроме того, невозможно обслуживать высокие растения из-за недостаточной высоты тележки. [12]

Рисунок 1.2 Тележка для работы с высокими растениями производства ЗАО «Гринкомплекс», ручная.

Для возможности обслуживания высоких растений (до 3-х метров) были сделаны дополнительные полки с лесенкой (рисунок 1.2), но из-за этого она становится ещё менее устойчивой. [65]

Для облегчения перемещения используются самодвижущиеся тележки (рисунок 1.3.6) с установленным двигателем постоянного тока, питающимся от аккумулятора, который через резиновое колесо (движитель), связанное с ротором двигателя, приводит в движение одно из 4-х колёс тележки. Но такой механизм имеет ряд недостатков:

- резиновый ролик приводит тележку в движение через трение, следовательно, имеет место быстрое изнашивание резинового ролика;

- скорость передвижения тележки не регулируется;

- ведущим является только одно колесо, что приводит к перекосу тележки;

- необходимость в аккумуляторе.

Рисунок 1.3 Самодвижущиеся тележки а) Тележка для работы с высокими растениями производства ЗАО

«Гринкомплекс», самодвижущаяся, б) Тележка самодвижущаяся - ЗАО Агрофирма «Выборжец»

Есть тележки, привод которых осуществляется через цепную передачу (рисунок 1.3.а). Электропитание осуществляется от аккумуляторной батареи 12 В, которая требует ежедневного обслуживания. Мощность такого двигателя мала, со