автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного привода

На правах рукописи

Каргин Виталий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОГРУЖЕНИЯ ПРОДОЛЬНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОБЪЕКТАХ АПК ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕНОСНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА

Специальность 05 20 02 - «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ15959 1

Саратов 2007

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им НИ Вавилова» _

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Усанов Константин Михайлович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Ерошенко Геннадий Петрович,

доктор технических наук, профессор Митяшнн Никита Петрович

Ведущая организация - ФГУП ордена «Знак Почета» научно-

исследовательский проектный институт НИПИГИПРОПРОМСЕЛЬСТРОЙ

, Защита состоится 25 октября 2007 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220 061 03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им Н И Вавилова» по адресу 410012, г Саратов, ул Театральная пл, 1, уч комплекс №2, ауд 325

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан и выставлен на сайт СГАУ http //www ssau ru125 сентября 2007 г

Ученый секретарь ¡.у ß

диссертационного совета сИ^о^-и/-^ Н П Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди многочисленных технологических процессов, выполняемых при строительстве объектов в АПК, или производстве изыскательских работ операции, связанные с погружением и извлечением стержней, свай и т п являются наиболее распространенными и энергоемкими Их комплексная механизация имеет важное значение, обусловленное существенными объемами выполняемых работ

При реализации процессов погружения стержневых элементов наиболее распространенным и эффективным является ударный способ, который обеспечивается разнообразными по конструкции и параметрам пневматическими, гидравлическими, электрическими и др машинами ударного действия

Сравнение опубликованных данных показывает, что традиционные машины приспособлены, как правило, для торцевой забивки относительно коротких стержней или небольших свай

Вместе с тем известно, что значительную долю забиваемых в грунт стержневых элементов составляют сравнительно длинные, небольшого (9 20 мм) диаметра стержни, которые используются при устройстве ограждений для культурных пастбищ, в качестве электродов в защитных заземлениях или катодной защите, при производстве строительных работ для закрепления откосов и т д Забивка таких длинных, продольно-неустойчивых стержней, соотношение длины и диаметра Ш которых составляет 100 и более, торцевым способом либо неэффективна, либо вовсе невозможна Кроме того, их погружение осуществляется зачастую в стесненных условиях строительной площадки, на откосах, в тоннелях, вблизи или внутри строящихся зданий и сооружений, когда известные навесные машины ударного действия малоэффективны или вовсе не применимы, а используемые переносное оборудование и приспособления зачастую не отвечают современным требованиям Поэтому создание компактных переносных машин ударного действия, обеспечивающих неторцевую забивку продольно-неустойчивых элементов и не требующих для транспортировки и применения механизированных средств, а доставляемых

на объект, например, переноской вручную, представляется важным

Перспективным направлением в разработке машин ударного действия, соответствующих перечисленным особенностям, является использование импульсного электромагнитного привода, отличающегося относительно малым энергопотреблением, сравнительно высокими удельными выходными показателями и КПД, и обеспечивающего непосредственное преобразование электрической энергии в механическую работу ударной массы с линейной траекторией движения

Цель работы. Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного привода (ПЭМП)

Объект исследования - ударный переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт

Предмет исследования - рабочие процессы ударной машины с линейным электромагнитным двигателем (ЛЭМД)

Методика исследования В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования, основанные на теории электрических машин, теоретических основах электротехники и автоматизированного электропривода В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники, в том числе аналого-цифровой преобразователь ПЭВМ Научная новизна работы

- создана электромагнитная ударная машина (УМ) с осевым каналом и зажимным приспособлением для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт,

- разработаны импульсные электрические преобразователи для питания и управления ЛЭМД, обеспечивающие требуемые режимы работы УМ,

- теоретически и экспериментально, с привлечением метода математического моделирования и теории планирования многофакторного эксперимента, найдены качественные и количественные зависимости механической энергии, частоты

ударов и КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния,

- получена аналитическая зависимость времени погружения стержневого элемента от ударной мощности и характеристик грунта,

- исследованы энергопреобразовательные процессы ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом, выявлены условия повышения выходных показателей ЛЭМД ударной машины, питаемого от емкостного накопителя энергии

Практическая ценность работы Создан переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт, содержащий ударную машину, электрический преобразователь и автономный источник питания

Реализация научно-технических результатов. Технические возможности и эффективность ударного переносного электромагнитного привода с линейным электромагнитным двигателем для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт подтверждены производственными испытаниями в ООО «ЭнергоСпецМонтаж», г Саратов

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Десятой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г Москва, 2-3 мая 2004), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г Тольятти, 21-24 сентября 2004г), на 3 Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г Камышин, 20 - 22 апреля 2005г), на конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н И Вавилова «Механизация и электрификация сельского хозяйства» (Саратов, 23 - 25 ноября 2006), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им Н И Вавилова в 2003 - 2007 годах

Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, общим объемом 2,7 печатных листа, из них один патент РФ и две работы опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне » ВАК объемом 0,8 печатных листа 1,5 печатных листа принадлежат лично соискателю

На защиту выносятся

— обоснование параметров и конструкция ударной машины с ЛЭМД для погружения длинных продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт,

— принципиальные схемы электрических преобразователей для ударной машины с ЛЭМД,

— аналитические зависимости механической энергии, частоты ударов, КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния,

— номограмма для оценки времени погружения металлического стержневого элемента в грунт в зависимости от геометрических параметров стержня, ударной мощности воздействия и плотности грунта,

— результаты экспериментальных исследований энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом при различных способах электропитания

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 59 рисунков, 3 приложения Список литературы включает 129 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность решаемой проблемы, дана краткая характеристика работы, приводятся данные о реализации и апробации результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе «Способы и технические средства для погружения стержневых элементов в грунт Цель и задачи исследований» рассмотрены способы заглубления металлических стержневых элементов в грунт, проведен анализ, сопоставлены свойства и особенности применения навесных, ручных и переносных устройств и приспособлений для погружения стержней в грунт

Перспективным направлением в разработке машин ударного действия для погружения стержневых элементов в грунт является использование импульсного силового электрического привода, имеющего в основе двигатель с линейной траекторией движения рабочего органа Значительный вклад в разработку теории и вопросов практического воплощения электроприводов с импульсными линейными электрическими двигателями принадлежит Алабужеву П М, Алимову О Д, Манжосову В К, Ряшенцеву Н П, Тимошенко Е М, Ивашину В В , Угарову Г Г, Мошкину В И, Львицыну А В и другим ученым Основными элементами структурной схемы такого привода являются ударная машина с линейным электрическим двигателем и устройством согласования и передачи механической энергии, импульсный электрический преобразователь, автономный источник электрической энергии (рис 1) Объединение в одном блоке машины-двигателя и машины-орудия ведет к упрощению и удешевлению всего устройства, улучшает массогабаритные показатели, повышает его энергетические характеристики, надежность, снижает

Абтономнии источник эл энергии

¡Промежуточной накопитель энергии1 I____.____

Электрический преобразо&атель

с

ЛинеС/ней электоический двигатель

Устройство согласования и передачи механической энергии

1_ .

Стержень

лЦ Т. групп

///////<7//////

Рисунок 1 Структурная схема переносного импульсного привода

затраты на обслуживание При этом применение привода с импульсным линейным электрическим двигателем (ЛЭД) для погружения стержневых элементов в грунт позволяет осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в кинетическую энергию прямолинейного движения якоря

Анализ известных конструкций машин, использующих линейные электродвигатели разных типов показывает, что в приводе переносных машин для погружения стержневых элементов целесообразно применять линейные электромагнитные двигатели - ЛЭМД Отсутствие прецизионных узлов обеспечивает этим машинам конструктивную простоту и надежность, а возвратно-поступательное движение рабочего органа способствует передаче энергии удара непосредственно забиваемому стержню Применение ЛЭМД в переносных ударных машинах позволяет исключить преобразователи движения и редукторы и потому представляется перспективным

Задачи исследования:

- провести анализ способов и устройств для погружения стержневых элементов в грунт,

- обосновать тип магнитной системы импульсного линейного электромагнитного двигателя ударной машины УМ, провести расчет его основных геометрических параметров и статических характеристик по заданным выходным показателям УМ, разработать устройство согласования и передачи механической энергии забиваемому стрежню и конструкцию ударной машины с ЛЭМД для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт,

- разработать импульсные электрические преобразователи, реализующие эффективные рабочие циклы и обеспечивающие требуемые режимы работы ударной машины,

- исследовать взаимное влияние наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя - на выходные показатели ударной машины с ЛЭМД - механическую энергию и частоту ударов, КПД с привлечением метода математического моделирования и теории

планирования многофакторного эксперимента, провести анализ коэффициентов влияния факторов на параметр оптимизации,

- получить аналитическую зависимость времени погружения стержневого элемента от ударной мощности и плотности грунта, разработать методику для определения времени погружения металлического стержня в грунт от его геометрических параметров, ударной мощности воздействия и плотности грунта,

- исследовать процессы энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины для погружения стержневых элементов в грунт при различных способах электропитания,

- провести технико-экономическую оценку результатов исследований

Во второй главе «Электромагнитная переносная машина ударного действия для погружения стержневых элементов в грунт» решены следующие основные задачи 1) выбран тип магнитной системы двигателя, позволяющий улучшить удельные показатели в ударном режиме, 2) рассчитаны основные геометрические размеры ЛЭМД по заданной энергии удара, 3) рассчитаны статические характеристики ЛЭМД, 4) предложена конструкция ЛЭМД с осевым каналом и увеличенной длинной якоря, 5) предложена конструкция устройства согласования и передачи ударных воздействий двигателя забиваемому стержню через его боковую поверхность, 6) разработана конструкция электромагнитной ударной машины со сквозным осевым каналом для погружения длинных продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт

Выработка основных рекомендаций при решении поставленных задач начата с выбора типа магнитной системы, оказывающей решающее влияние на ее энергетические показатели Сопоставление энергетических характеристик показывает, что для машин ударного действия целесообразно использовать ЛЭМД с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами

Наиболее полная реализация потенциальных возможностей магнитных систем ЛЭМД достигается при правильном выборе их основных конструктивных параметров по заданной выходной энергии Ау В работе приведена методика расчета

основных геометрических соотношений ЛЭМД с механической энергией Ау=3 5 Дж

В ЛЭМД ударных машин необходимо обеспечить не только кинетическую энергию в момент удара, но и повысить быстродействие двигателя Это позволяет увеличить частоту ходов якоря п и, следовательно, ударную мощность машины Ру=АуП Значение п зависит от нескольких факторов массы якоря т, силовой характеристики возвратной пружины, формы тяговой характеристики К/5) ЛЭМД

Рисунок 2 Статические тяговые характеристики ЛЭМД 1 - 4,=0, 2 - А1Я=ОМ 3 - /14=0,34 4-рпруж=/(3)

Показанная на рис 2 характерная кривая 1 тягового усилия Р3=^8) для ЛЭМД ударной машины не является рациональной С целью повышения ударной мощности Ру следует изменить характеристику Рэ=/(5) так, чтобы снизить Рэк, что будет способствовать уменьшению времени возврата 1возе якоря и повышению ударной мощности Ру=Ау/(1сраб-т1втв)

Для получения требуемой формы тяговой характеристики необходимо увеличить длину якоря на А1Я (рис 3), что приведет к снижению тягового усилия в области малых зазоров 8

Для количественной оценки влияния А1Я на показатели ЛЭМД - начальное Рэн, максимальное Рэм усилие - проведены исследования статических тяговых характеристик магнитных

систем ЛЭМД с А1Я=О, Д,=0,2 8, А1я=0,3ё в программном комплексе Екдй 5 1

На рисунке 2 приведены статические тяговые характеристики исследованных магнитных систем двигателей При сравнении за базисный принят ЛЭМД с Л1Я =0 (рис 2, кривая 1), у которого максимальное усилие достигается при 8= 0, что в динамике приводит к временному «залипа-нию» бойка и уменьшению частоты ходов УМ

В случае чрезмерно большой величины А1Я>0,38 наблюдается существенное снижение максимального усилия Рэм при малых зазорах (рис 2, кривая 3)

ЛЭМД с величиной А1Я=0,28 развивает большее максимальное усилие (рис 2, кривая 2), которое в момент удара уменьшается на 20 - 30% по сравнению с базисным, предотвращая «залипание» якоря

Важным этапом разработки и создания машин ударного действия с линейными электромагнитными двигателями представляется обоснование устройства передачи механической энергии двигателя забиваемому стержневому элементу Эффективная забивка продольно-неустойчивого стержня возможна лишь при передаче ему ударных импульсов через его боковую поверхность в таких поперечных сечениях, где устойчивость стержня еще сохраняется Для электромагнитной ударной машины предложена конструкция и обоснованы параметры переставляемого зажимного механизма, обеспечивающего этот способ забивки

С учетом результатов исследований создана конструкция ударной машины с ЛЭМД для погружения длинных, продоль-

Рисунок 3 Магнитная система ЛЭМД с увеличенной длинной якоря 1 - якорь, 2 - наковальня, 3 - стержень, 4 - статор

но-неустоичивых стержневых элементов в грунт, показанная на рис 4

В третьей главе «Источники питания и импульсные электрические преобразователи переносной электромагнитной ударной машины» проведен краткий сопоставительный анализ источников электропитания ударной машины с ЛЭМД, разработаны электрические преобразователи, используемые с аккумуляторными источниками питания, предложены устройства с промежуточными емкостными накопителями энергии

Электромагнитная ударная машина для погружения стержневых элементов в грунт, содержащая в основе линейный электромагнитный двигатель, осуществляет дискретное потребление и преобразование электрической энергии непосредственно в механическую работу Импульсное дозирование потока передаваемой источником в УМ энергии обеспечивается импульсным электрическим преобразователем (ЭП) Рассмотрены ЭП, подключаемые к одно- и трехфазным сетям переменного тока, аккумуляторному источнику питания (АИЛ) и АИЛ с конденсаторным накопителем энергии

Рисунок 4 Электромагнитная машина ударного действия для погружения

стержневых элементов в грунт 1 - верхняя крышка, 2,3 - комбинированный якорь, 4 - корпус-статор, 5 - рукоятка, 6 - обмотка, 7 - возвратная пружина, 8 - направляющая, 9 - наковальня, 10 - нижняя крышка, 11 - корпус

зажимного приспособления, 12 - заклинивающие элементы, 13 - погружаемый стержень

Характеристики импульсной нагрузки и системы электропитания, как правило, не согласованны Большинство систем электропитания рассчитано не на импульсный, а на непрерывный и относительно равномерный отбор мощности Поэтому возникает необходимость включения между источником питания и ЛЭМД ударной машины импульсного электрического преобразователя с емкостным накопителем энергии (ЕНЭ), задачей которого, в том числе, является согласование характеристик системы электроснабжения и обмотки ЛЭМД ударной машины

Так, для аккумуляторного источника питания, применение импульсного преобразователя с ЕНЭ существенно облегчает электрический режим, обеспечивая энергоотдачу аккумуляторов при заряде ЕНЭ, близкую к стационарной

На рис 5 представлена электрическая схема НЭП с емкостным накопителем энергии для питания электромагнитной ударной машины

Рисунок 5 Электрическая схема импульсного преобразователя с ЕНЭ для питания УМ

Применение конвертора позволяет заряжать ЕНЭ напряжением и с, превышающим напряжение источника питания ивх и улучшает массогабаритные показатели устройства

В четвертой главе «Исследование особенностей электромеханического преобразования энергии в переносном электромагнитном приводе» разработаны методика и лабораторный стенд для экспериментального исследования рабочих процессов, включающий ударную машину УМ с электромагнитным двигателем, импульсные электрические преобразователи ЭП1, подключаемый к аккумуляторному источнику питания АИП1 и ЭП2 с емкостным накопителем энергии, аккумуляторный источник питания АИП2 Измерение и регистрация значений интересующих физических величин производятся комплектом контрольно-измерительной аппаратуры КИА (рис 6)

Рисунок 6 Структурная схема стенда для исследования рабочего процесса ЛЭМД ударной машины 1 - забиваемый стержень, 2 - втулка, 3 - потенциометрический датчик перемещения

Для детального выявления особенностей электрического взаимодействия импульсной нагрузки (ЛЭМД) с преобразователями ЭП1 и ЭП2 проводилась одновременная регистрация динамических характеристик исследуемого ЛЭМД мгновенных значений напряжения и тока протекающего по его обмотке,

а так же перемещения якоря в функции времени Одновременная запись указанных величин производилась на персональный компьютер, связанный с исследуемой системой и потенцио-метрическим датчиком перемещения через многофункциональную плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

Проведен анализ динамических характеристик электромагнитной ударной машины для погружения стержневых элементов в грунт с применением метода планирования многофакторного эксперимента Рассмотрено влияние параметров емкостного накопителя - емкости С и напряжения заряда II -и жесткости г возвратного элемента УМ на механическую энергию Ау, частоту ударов п и КПД г] электромагнитной ударной машины, получены соответствующие регрессионные полиномы, определяющие данные зависимости

Ау = 4,4 - 722,ЗС- 0,01£/ + 15,5СИ-0,089г, (1)

п = 466,7С -0,1317+ 0,447г + 1,04Сг + 19444С2- 2879,5, (2)

г] = 3,94 + 123,4С + 0,0282 + 0,19£/+ 0,2Сг - 2,9 1(Г* Пг

- 1944,4С2-0,0024 £/2-4,4 Ю~5 г2 (3)

В качестве параметра оптимизации выбрана механическая энергия Ау Наибольшее влияние на величину Ау (1) оказывают параметры емкостного накопителя С и и Для варьируемых значений емкости промежуточного накопителя С и напряжения его заряда 17 от «-1» до «+1» при неизменной жесткости возвратного элемента г, построена поверхность отклика АУ=/(С, V), при г=сот1: (рис 7)

Из диаграммы следует, что значение энергии удара ^возрастает пропорционально емкости С промежуточного накопителя и квадрату напряжения С/ его заряда и достигает максимума, когда С и и находятся на уровне «+1» (С=0,13 Ф, 11=120 В)

Вторым по значимости коэффициентом влияния в уравнении регрессии (1), является жесткость возвратной пружины г На рис 8 представлена поверхность отклика в факторном пространстве Ау=/(и, г), при значении емкости С на уровне «+1»

Наибольшее значение энергии удара Ау для рассмотренных поверхностей соответствует г = 800 Н/м, при значениях осталь-

ут

УГ?

С. Ф

Рисунок 7. Поверхнойъ отклика АУ=/(С, V) при ъ на уровне «-1»

ны\ факторов на уровне «+1». Изменение жесткости возвратного элемента. по сравнению с найденным, снижает механическую энергию Ау.

В настоящей работе проведены исследования коэффициентов влияния параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента г на частоту ударов п и КПД электромагнитной машины, построены соответствующие поверхности отклика и диаграммы.

Важным показателем эффективности создаваемой эле ктро магнитной ударной машины для погружения металлических стержневых элементов в

грунт является время заглубления I, стержня, на которое значительное влияние оказывает диаметр с!. длина / и угол заточки его погружаемого торца а. ударная мощность воздействия на стержень Ру0: плотность р и средняя влажность грунта ЪУср.

Получена аналитическая зависимость (3^/(Руо: р) времени погружения стержневого элемента 13 от ударной мощности Руа

Рисунок 8, Поверхность отклика А, =/(Ц, г) при С на уровне «+1».

и плотности грунта р (с постоянной средней влажностью ^=70%) для стержня с заданными геометрическими параметрами (1=2 м, с1= 12 10"3 м, а=45°)

4=28,1- 0,5Руд + 0,072р - 0,002Руд2 (4)

На основании экспериментальных данных и теоретических исследований разработана номограмма (рис 9), на которой обозначены следующие зависимости 1) зависимость ударной мощности Руд от длины забиваемого стержня / и его диаметра с! Руд=/(Ы), 2) зависимость потребляемой электрической энергии Жэл (при питании от емкостного накопителя энергии или аккумулятора) от ударной мощности Руа 1УЭЛ= /(Ру0), 3) зависимость времени погружения стержня 4 от ударной

мощности Р^ Ъ=/(Руд)

Рисунок 9 Номограмма для определения времени погружения стержня 4 длинной I, диаметром с1, при плотности грунта р=1450 кг/м3 1 - ¿=12 10"3 м; 2 - ¿=14 10"3 м, 3-сМ6 10"3 м; 4 -¿=18 10"3м

Рассмотрены особенности энергопреобразования в ЛЭМД УМ при единичном срабатывании для согласованного и несогласованного разряда накопителя на обмотку двигателя, выявленные экспериментально (рис 10, 11) Режим полагается согласованным, если значение энергии №ист и параметры С„, 11н подобраны так, что на интервале единичного срабатывания к моменту остановки якоря накопитель полностью разряжается и обеспечиваются максимальные выходные показатели ЛЭМД

мм' Г и,Б]

35 ■ - 350- 350 -

зо- - 300- 300 -

25- - 250- 250 -

20- - 200- 200 -

15- - 150- 150 -

10- - 100- 100 -

50- - 50- 50 -

0- - 0- 0 -

0 0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 0 014 0 016 1 с

Рисунок 10 Динамические характеристики ЛЭМД для несогласованного разряда емкостного накопителя

35" 350'

300250-

20-- 200-

15-- 150-- 150

350 300 250 200

5«

0 0 002 0 004 0 006 0 003 0 01 0 012 0 014 0 016 0 018 1с

Рисунок 11 Динамические характеристики ЛЭМД для согласованного разряда емкостного накопителя

Наглядное представление о влиянии параметров и условий разряда накопителя на обмотку дают энергетические диаграммы, построенные в осях ¥г «потокосцепление-ток» (рис 12)

вОмм §5мм 810мм $15мм ?20мм 525мм

Рисунок 12 Энергетические диаграммы ЛЭМД при конденсаторном питании

Площади, ограниченные замкнутыми кривыми Wd(i), полученными обработкой динамических характеристик ЛЭМД, пропорциональны энергии, израсходованной двигателем на полезную работу и все потери, кроме тепловых в обмотке Площади, ограниченные диаграммами Wc(i), найденными совместной обработкой динамических характеристик и статических кривых намагничивания электромагнита Ч^ =f(i), ¿>, = const, пропорциональны полезной работе преобразователя в отсутствие потерь Совмещенные диаграммы Wd(i) и Wc(j) удобны при оценке влияния потерь на рабочий процесс ЛЭМД, а площадь между кривыми Wd(i) и Wc(i) позволяет судить об эффективности энергопреобразования в двигателе при варьировании значений емкости С и напряжения £/накопите ля

Сравнение характеристик показывает, что процесс взаимных превращений при передаче одной и той же энергии из ЕНЭ в ЛЭМД существенно зависит от соотношения его параметров В частности, увеличенная емкость и уменьшенное напряжение

обеспечивают плавность разрядного процесса снижение потерь в двигателе и повышение его механической энергии

Разряд накопителя с малой емкостью и повышенным напряжением создает значительные скорости di/dt и dy/zclt на этапе трогания якоря Чем быстрее возрастают ток и магнитный поток, тем больше наведенные вихревые токи, меньше суммарное потокосцепление и тем ниже, относительно статической кривой Wc(i), располагается динамическая кривая намагничивания 1Рд(г) (рис 12) В частности, установлено, что накопитель с емкостью С—0,1СН (Сн=0,06 Ф) обеспечивает более высокое быстродействие и полноту использования накопленной ЛЭМД магнитной энергии, что практически исключает время «залипания» якоря, позволяет повысить частоту ударов п и, следовательно, ударную мощность РУ=АУ п, однако несогласованный разряд обеспечивает в 1,38 раза меньшую механическую энергию на выходе машины, в 1,3 раза большие потери в стали

Таким образом, выбор параметров накопителя, при которых обеспечивается согласование разрядных процессов ЕНЭ с динамическими в двигателе УМ, позволяет повысить энергию ударов Ау на 28 % и снизить потери в стали Wcm на 23 % (табл 1)

Таблица 1

Показатели ЛЭМД при конденсаторном питании

Цикл Механическая энергия, А Остаточная магнитная энергия W^ Потери в стали wcm Магнитный КПД, 1м Частота ударов, п Ударная мощность Pv

Дж Дж Дж о е Гц Вт

С=0,1СН 16 4,0 30 0,8 6 96

с=с„ 22 21 23 0,52 4 88

Технические возможности и эффективность импульсного электромагнитного привода для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт подтверждены производственными испытаниями Расчетный чистый дисконтированный доход от внедрения переносного ударного электромагнитного привода составил 258,6 тысяч рублей

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Сравнительным анализом способов и показателей технических средств для погружения продольно-неустойчивых стержней выявлены достоинства и обосновано применение автономного импульсного электромагнитного привода с использованием цилиндрического ЛЭМД с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами Установлено, что среднее потребление электрической энергии и продолжительность погружения одного стержня импульсным электромагнитным приводом, соответственно, в 1,7 - 1,8 и в 2 - 3 раза меньше в сравнении с существующими электрическими машинами ударного и вращательного действия

2 Обоснована необходимость применения в приводе переносных электромагнитных ударных машин броневых ЛЭМД цилиндрической структуры с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами с увеличенным, вдвое против обычного, ходом 5 якоря, тяговую характеристику которого целесообразно формировать удлинением якоря на величину Л1Я Для выбранного типа ЛЭМД /1/я=0.25 увеличивает значения начальной тяговой силы и интегральной работы в 1,25 и 1,2 раза соответственно по сравнению с базисным двигателем при А1Я=0

3 Разработана, на уровне изобретения, электромагнитная ударная машина со сквозным осевым каналом и зажимным приспособлением передачи ударных импульсов стержню через его боковую поверхность, предназначенная для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт

4 Предложен электрический преобразователь с разделенным на секции емкостным накопителем, обеспечивающий дополнительные возможности при регулировании механической энергии машины за счет оперативного изменения емкости конденсаторной батареи и уровня ее заряда

5 Исследовано влияние жесткости возвратного элемента и параметров емкостного накопителя на энергетические показатели электромагнитной ударной машины с выходной механической энергией Ау до 50 Дж и получен экстремум для показателя Ау, определяемый значениями С=0,04 0,06 Ф, £/=60 80 В,¿=700 900 Н/м

6 Получена аналитическая зависимость времени забивки и стержневого элемента от характеристик грунта и ударной мощности Ру=АуП машины, предложена номограмма для определения значения 4 с учетом геометрии стержня и значения Ру для заданной плотности грунта

7 Исследованы энергопреобразовательные процессы в ЛЭМД ударной машины с конденсаторным источником, установлена предпочтительность применения емкостного накопителя с С>0,5 Ф в системе электропитания импульсной машины с Ау до 50 Дж, заключающаяся в снижении постоянных потерь при уменьшении значения ск/с!г в обмотке до Л/Л<\0 А/мс и увеличении КПД в 1,12 раз

8 Проведена оценка экономической эффективности внедрения переносного электромагнитного привода, расчетное значение чистого дисконтированного дохода - 258,6 т руб

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Каргин В А Силовая электромагнитная импульсная система для погружения стержневых элементов в грунт / Усанов К М, Каргин В А // Вестник СГАУ, №3,2005 с 59-61 (0,4/0,25)

2 Каргин В А Преобразователь сигналов датчика предударной скорости бойка импульсной ударной машины / Усанов К М, Каргин В А // Вестник СГАУ, №2,2007 с 53-55 (0,4/0,25)

3 Каргин В А Электрический преобразователь с емкостным накопителем энергии для питания электромагнитной ударной машины / Усанов К М, Каргин В А // Механизация и электрификация сельского хозяйства Материалы конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н И Вавилова, Саратов СГАУ, 2006 -81-85 с (0,6/0,4)

4 Каргин В А Расчет статических тяговых характеристик электромагнитной машины ударного действия с использованием ЭВМ / Усанов К М, Каргин В А // Инновационные технологии в обучении и производстве Материалы III Всероссийской конференции т 1 Камышин, 2005 -с 181(0,1/0,05)

5 Каргин В А Энергетические показатели линейного электромагнитного двигателя в режиме энергопреобразования при постоянном потокосцеплении / Угаров Г Г, Усанов К М, Волгин А В , Каргин В А // Проблемы электротехники, электроэнергетики и элекгро-

технологии Труды Всероссийской научно-технической конферен-щш Тольятти ТГУ, 2004 -с 27-30 (0,25/0,1)

6 Каргин В А Особенности энергопреобразования электромагнитной ударной машины с конденсаторным питанием / Усанов К М, Каргин В А, Волгин А В // Инновационные технологии в обучении и производстве Материалы 3 Всероссийской конференции, г Камышин, 20 - 22 апреля 2005 В 3-х т - Волгоград, 2005 Том 1 -174-178 с (0,3/0,2)

7 Патент на полезную модель №40331 Устройство ударного действия для забивания в грунт стержневых элементов / Угаров Г Г , Усанов К М, Волгин А В , Каргин В А // Бюл 2004 №25 - 3 с

8 Патент на полезную модель ЬШ59342Ш, МПК Н02К 33/02 Опубл 10 12 2006 Линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря / Усанов К М, Мошкин В И, Каргин В А, Волгин А В //Бюл 2004 №34-2 с

Подписано в печать 21 09 07 Формат 60х841/1б Печ л 1,0 Тираж 100 Заказ 605/572

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им Н И Вавилова» 410012, Саратов, Театральная пл, 1

Введение.

1. СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СТЕЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГРУНТ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.И

1.1 Конструкция стержневых элементов и способы их погружения.

1.2 Технические средства для погружения металлических стержневых элементов в грунт. Основные требования к устройствам и приспособлениям для погружения стержневых элементов в грунт.

1.2.1 Навесные приспособления для погружения металлических стержневых элементов.

1.2.2 Приспособления для ручной забивки металлических стержневых элементов.

1.2.3 Переносные устройства для погружения металлических стержневых элементов.

1.2.4 Применение линейных электрических двигателей и импульсных приводов на их основе для погружения металлических стержневых элементов в грунт.

Цели и задачи исследований.

Выводы.

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПЕРЕНОСНАЯ МАШИНА УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГРУНТ.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Импульсные линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) с повышенными удельными энергетическими показателями в ударных машинах.

2.2.1 Обоснование магнитной системы импульсного

ЛЭМД.

2.2.2 Оптимальные геометрические соотношения в магнитных системах однообмоточных цилиндрических ЛЭМД.

2.2.3 Расчет статических тяговых характеристик.

2.2.4 Конструкция импульсного ЛЭМД со сквозным осевым каналом, комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами.

2.3 Устройство передачи механической энергии в системе импульсный ЛЭМД - стержень».

2.4 Переносная электромагнитная ударная машина (УМ) для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

Выводы.

3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ И ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕНОСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УДАРНОЙ МАШИНЫ.

3.1 Краткий сопоставительный анализ источников электропитания ударной машины с ЛЭМД.

3.2 Основные типы электрических преобразователей для управления электромагнитной машиной.

3.2.1 Импульсные электрические преобразователи, подключаемые к источникам переменного тока.

3.2.2 Импульсные электрические преобразователи, используемые с аккумуляторными источниками питания.

3.2.3 Импульсные электрические преобразователи с емкостными накопителями энергии.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ПЕРЕНОСНОМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПРИВОДЕ.

4.1 Экспериментальные исследования рабочих процессов импульсного ЛЭМД УМ для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2 Применение теории планирования экспериментов для построения математической модели объекта.

4.2.1 Основная идея теории планирования экспериментов.

4.2.2 Анализ динамических характеристик электромагнитной ударной машины для погружения стержневых элементов в грунт путем планирования многофакторного эксперимента.

4.2.3 Влияние параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента на механическую энергию электромагнитной машины для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2.4 Влияние параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента на частоту ударов электромагнитной машины для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2.5 Влияние параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента на коэффициент полезного действия электромагнитной машины для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2.6 Определение зависимости времени забивки стержневого элемента от ударной мощности и плотности грунта.

4.3 Исследование энергопреобразования ЛЭМД УМ с аккумуляторным источником питания.

4.4 Исследование энергопреобразования ЛЭМД УМ, питаемого от емкостного накопителя.

Выводы.

Среди многочисленных технологических процессов, выполняемых при строительстве объектов в АПК, или производстве изыскательских работ, операции, связанные с погружением и извлечением стержней, свай и т. п. являются наиболее распространенными и энергоемкими. Их комплексная механизация имеет важное народнохозяйственное значение, обусловленное существенными объемами выполняемых работ.

При реализации процессов погружения стержневых элементов наиболее распространенным и эффективным является ударный способ, который обеспечивается разнообразными по конструкции и параметрам пневматическими, гидравлическими, электрическими и др. машинами ударного действия.

Сравнение опубликованных данных показывает, что традиционные машины приспособлены, как правило, для торцевой забивки относительно коротких стержней или небольших свай.

Вместе с тем известно, что значительную долю забиваемых в грунт стержневых элементов составляют сравнительно длинные, небольшого (9.20 мм) диаметра стержни, которые используются при устройстве ограждений для культурных пастбищ, в качестве электродов в защитных заземлениях или катодной защите, при производстве строительных работ для закрепления откосов и т.д. Забивка таких длинных, продольно-неустойчивых стержней, соотношение длины и диаметра l/d которых составляет 100 и более, торцевым способом либо неэффективна, либо вовсе невозможна. Кроме того, их погружение осуществляется зачастую в стесненных условиях строительной площадки, на откосах, в тоннелях, вблизи или внутри строящихся зданий и сооружений, когда известные навесные машины ударного действия малоэффективны или вовсе не применимы, а используемые переносное оборудование и приспособления зачастую не отвечают современным требованиям. Поэтому создание компактных переносных машин ударного действия, обеспечивающих неторцевую забивку продольно-неустойчивых элементов и не требующих для транспортировки и применения механизированных средств, а доставляемых на объект, например, переноской вручную, представляется важным.

Перспективным направлением в разработке машин ударного действия, соответствующих перечисленным особенностям, является использование импульсного электромагнитного привода, отличающегося относительно малым энергопотреблением, сравнительно высокими удельными показателями и КПД и обеспечивающего непосредственное преобразование электрической энергии в механическую работу ударной массы с линейной траекторией движения.

Цель работы. Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного привода (ПЭМП). Задачи исследования: провести анализ способов и устройств для погружения стержневых элементов в грунт; разработать конструкцию ударной машины с ЛЭМД для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт; разработать импульсные электрические преобразователи, реализующие эффективные рабочие циклы и обеспечивающие требуемые режимы работы ударной машины; исследовать взаимное влияние наиболее значимых факторов на выходные показатели ударной машины с ЛЭМД с привлечением метода математического моделирования и теории планирования многофакторного эксперимента; исследовать процессы энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины для погружения металлических стержневых элементов (МСЭ) в грунт при различных способах электропитания; провести технико-экономическую оценку результатов исследований.

Объект исследования - ударный переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

Методика исследования. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования, основанные на теории электрических машин, теоретических основах электротехники и автоматизированного электропривода. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники, в том числе аналого-цифровой преобразователь ПЭВМ.

Научная новизна работы: создана электромагнитная ударная машина (УМ) с осевым каналом и зажимным приспособлением для погружения стержневых элементов в грунт; разработаны импульсные электрические преобразователи для питания и управления ЛЭМД, обеспечивающие требуемые режимы работы УМ; теоретически и экспериментально, с привлечением метода математического моделирования и теории планирования многофакторного эксперимента, найдены качественные и количественные зависимости механической энергии, частоты ударов и КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния; получена аналитическая зависимость времени погружения стержневого элемента от ударной мощности и характеристик грунта; исследованы энергопреобразовательные процессы ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом; выявлены условия повышения выходных показателей ЛЭМД ударной машины, питаемого от емкостного накопителя энергии.

Практическая ценность работы. Создан переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт, содержащий ударную машину, электрический преобразователь и автономный источник питания.

Реализация научно-технических результатов. Технические возможности и эффективность созданного переносного электромагнитного привода с линейным электромагнитным двигателем для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт подтверждены производственными испытаниями.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2-3 мая 2004); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 21-24 сентября 2004г.); на 3 Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 20 - 22 апреля 2005г.); на конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова «Механизация и электрификация сельского хозяйства» (Саратов, 23 - 25 ноября 2006); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2003 - 2007годах.

Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, общим объемом 2,7 печатных листа, из них два патента РФ и две работы опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне.» ВАК объемом 0,8 печатных листа. 1,5 печатных листа принадлежат лично соискателю.

На защиту выносятся обоснование параметров и конструкция ударной машины с ЛЭМД для погружения длинных продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт; принципиальные схемы электрических преобразователей для ударной машины с ЛЭМД; аналитические зависимости механической энергии, частоты ударов, КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния; номограмма для оценки времени погружения металлического стержневого элемента в грунт в зависимости от геометрических параметров стержня, ударной мощности воздействия и плотности грунта; результаты экспериментальных исследований энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом при различных способах электропитания.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 59 рисунков, 3 приложения. Список литературы включает 129 наименований.

Выводы:

1. Обоснована необходимость применения в приводе переносных электромагнитных ударных машин броневых ЛЭМД цилиндрической структуры с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами с увеличенным, вдвое против обычного, ходом 8 якоря, тяговую характеристику которого целесообразно формировать удлинением якоря на величину Л1Я. Для выбранного типа ЛЭМД Л1Я=0,28 увеличивает значения начальной тяговой силы и интегральной работы в 1,25 и 1,2 раза соответственно по сравнению с базисным двигателем при Л1Я=0.

2. Разработана, на уровне изобретения, электромагнитная ударная машина со сквозным осевым каналом и зажимным приспособлением передачи ударных импульсов стержню через его боковую поверхность, предназначенная для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

1.1 Краткий сопоставительный анализ источников электропитания ударной машины с ЛЭМД

2. Мощность Мощность до 10кВт до 100кВтникель-кадмиеВыйс&инцоВиа

3. Передвижные электроустановкиа

4. Рис.3.1 Удельные показатели автономных источников питания с электроустановками и ХИТ.

5. Чем выше первые четыре характеристики и ниже пятая и шестая, тем более универсальное применение у данного химического источника тока.

6. По принципам работы ХИТ разделяют на три группы: первичные, вторичные и топливные элементы (рис.3.2).

7. Рис.3.2 Схема классификации ХИТ

8. Для сравнения удельных характеристик гальванических элементов на рис.3.3 приведена гистограмма.4 *

9. Рис.3.3 Удельные энергия Wy (а) и максимальная мощность Ру (б) гальванических элементов: 1 марганцевые солевые, 2 - марганцевые щелочные; 3 - ртутно-цинковые.

10. Сравнительные гистограммы основных показателей топливных элементов представлены на рис.3.4 5,17,63,86.