автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Технология восстановления чугунных деталей тракторов и сельскохозяйственных машин электродуговой сваркой

РГС о л

На правах рукописи

КОРЧЕМКИН ПЕТР АВТОНОМОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ ТРАКТОРОВ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКОЙ

Специальность: 05.20.03 — эксплуатация, воссганов ление и ремонт сельскохозяйственной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

К.1Л1 ОВГЛЦКПСК 19<)7

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение» Дальневосточного государственного аграрного университета в период 1986...1996 гг.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор, член-корреспондент ААО A.B. Коваль.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик ААО И.П. Терских;

кандидат технических наук, доцент С.Т. Шорсткин.

Ведущее предприятие - Приморская государственная

сельскохозяйственная академия (ПГСХА).

Защита состоится « /2 » ¿у■<!??¿/г /,х1997 г. на выездном заседании диссертационного совета Д. 020.03.01 в Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (СибИМЭ) по адресу: 675005, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86.

Отзыв на автореферат диссертации, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 675005, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, ДальГАУ, отдел аспирантуры.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ДальГАУ. Автореферат разослан «_»_ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Е. Немцев

опзая хлрахтагистикл работе:

Актуальность теми. Одним из важней1И4х направлений « развитии народного хозяйства Россия является повсеместное рациональное использование сырьевых, . топливо-энергетических <л других материальных ресурсов. Эта задача должна решаться двумя путягойг увеличением производства новых запасных частей и восстановлением изношенных деталей с применением передовой технологии и организации производства.

Важная роль при этом отводиться восстановлению вышедших из строя деталей. Экономическая целесообразность использования восстановленных деталей определена тем, что при эксплуатации изнашивается только незначительная часть их поверхности, а основная масса, детали проходит этап старения и имеет качественные показатели, намного превышающие первоначальные значения. При восстановлении деталей существующими способами, расходы на материалы .составляют всего 6-8% от общей стоимости, а а некоторых случаях 3% или вообще отсутствуют.

Известные технологии восстановления чугунных деталей не. всегда обеспечивают качество ремонта или требуют для сварки дефицитных материалов, являются трудоемкими. •. Поэтому разработка технологического процесса, обеспечивающего качество восстановления с минимальными затратами, является актуальной научной задачей. •

Разработано электродное покрытие по а.с. №10072 94, которое позволяет производить холодную сварку чугуна без применения дефицитных материалов.

Цель работы. Совершенствование технологии .восстановления и повышение . эффективности технологического процесса сварки- чугунных деталей тракторов и еальскохо-

зчйственных машин с 'разработкой электродного покрытия для холодной сварвкк чугуна, обеспечивающей при низких значениях сварочного * тока .получение наплавленного металла. в виде мягкой стали.

Объект исследования. Объектом исследования для при-,

менения предлагаемых электродов были выбраны чугунные, детали сельскохозяйственной техники.

Предмет исследования. Зависимость прочности шва от процентного содержания составляющих электродного локры- ■ тия, микроструктуры, химической неоднородности, твердости и прочности сварного соединения.

Научная новизна. Модель рафинирования металла . .при »

сварке плавлением, зависимость коэффициента формы провара и твердости от угла наклона электрода. Микроструктура сварного соединения повышающего.прочность и одно- . рсдноссь металла шва. Зависимость процентного содержания кре'мния и марганца у линии сплавления,' . микроструктуры сварного ива при сварке экспериментальными, электродами. Показатели статистической ■':оценки прочности сварного шва при статическом растяжении.

Практическая значимость. Разработка электродного покрытия, позволяющего удалять избыточный углерод в сварочной ванне, связывая' его с кислородо'м, при. этом снижаются трудозатраты последующей обработки деталей, надежность которых не уступает новым деталям. Разработана технология восстановления чугунных' деталей сваркой: формой разделок, кромок, технологического приема наложения сварных швов.

Реализация результатов исследований. Результаты выполненной работы использованы в "Мильковском РТП Камчатской области, ДальГАУ, Тамбовском РТП Амурской области и ..опробованы.

Апробаиил рзСсты. Сснс'Л.чке положения и результаты исследований доложены и обсуждены: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Благовещенского СХИ, 1973-31,.'. 36, 38, 92 гг.. расширенного технического семинара кафедры «Надежность и ремонт маиин» СИМСХ, 1939 г.

Публикации. Основные публикации и результаты диссертационной работы опубликованы в .6 печатных работах, получено А.С.№1007294.

Связь темы исследования с общегосударственными, общенаучными проблемами. Исследования выполнены по проблеме 0.72.03,. задании 06.03.0-31 {Постановление ГКНТ СССР от ¿0.11.95 г. №573/137), разделу 2 «Восстановление деталей' методами порошковой металлургии, ионно-плазменным. напылением, электросварки,, наплавки» по теме: «Разработать и внедрить прогрессивную организацию и технологйю ' ремонта автомобилей, 'тракторов и уборочных машин на специализированных ремонтных предприятиях, обеспечивающую увеличениеiнаработки на отказ на 25-30Ъ> (Постановление Коллегии. МСХ СССР №17 от 5.06.84 г. общесоюзная программа.2.6-). ^

Структура ус ' объем^ работы. Диссертация состоит из введения., шест^ раздвдо-р, орпих выводов, списка литературы и цриложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит .42 рисунка, 9 таблиц, и 11 приложений/ Библиография включает 178 наименований.

■ € . СОДЕРЖАНИЕ "РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность ."тёмы, определена цель исследования, сформулированы основные положе-. ния,. выносимые ' на ' защиту.;

В первом! разделе «Обоснование постановки задач и исследования» рассмотрены способы восстановления чугунных деталей тра'кторов и сельскохозяйственных машин, и на основе' --анализа литературных источников, которые по- . называют, что наибольиее распространение получила электродуговая. сварка чугуна,, так как она .обладает .рядом-серьезных преимуществ по сравнению .с .другими. Этому по- -священы' работы Г .А.Асенавсксй, . С.М.Бабусенко, ' В.А.Батманова, , А.Н.Батищева, Г.А.Тонн, Е-Л.Воловик, В.-Д.Симонова, Г.А.Николаева, Л.С.'Ермолова, Б.Т.Иванова, . А.Т ."Калашникова, И.Е.Ульман, Ю.Н.Артемьева,; Г.М.Шишкина и других ученых. ■

Чугун является перспективным материалом для изготовления корпусных деталей, обладающим хорошими техно- -логическими свойствами и 'относительной дешевизной. К недостаткам чугуна, следует отнести его. склонность к образованию трещин, отбеливание и закалка наплавленного метала и металла -зоны термического влияния. '

Чугун с точки зрения физической свариваемости относится к группе хорошо свариваемых, металлов,, так как обладает неограниченной растворимостью основного и присадочного металла -в жидком состоянии {за исключением меди и некоторых других материалов),,возможностью диффузии в твердом и жидком состояниях и -образования твердых растворов, а с точки зрения технологической - к трудно свариваемым материалам.

Таким образом, основными дефектами при сварке чугуна являются:

1.Отбеливание и закалка наплавленного металла и металла околошовной зоны.

2.Образование трещин.

.3.Пористость э сварочном шве.

Невзирая на большое количество различных способов восстановления чугунных деталей разработка новых электродных материалов и восстановление является актуальной" задачей. '

Заслуживают внимания работы выполненные П.С. Елист-ратовым, по разработке электродов типа СЧС для сварки чугуна с получением наплавленного металла в: виде мягкой стали. Электроды на проволоке Сз-08 с- покрытием, в состав которого входят компоненты легко диссоциирующие в зоне дуги с выделением кислорода, окисляющие графит чугуна. .

Недостатки этих электродов - Ьолыпая толщина покрытия и высокие значения сварочного тока, что не позволяет установить оптиьййьные пределы технологичности ,электродов: большое тёпловложение.;вызывает наличие значительной зрньх термического влияйия, ухудшающей Свойства сварного соединения,- и' значительные внутренние-напряже-ния. . . .• ¡1

Имеются предпосылки для разработки электродных материалов; для. сварки чугуна, обеспечивающей, при низких значениях, сварочного тока получение' наплавленного металла «не чугун» с хорошей обрабатываемостью, низким содержанием углерода путем введения з обмазки элементов, диссоциирующих в' зоне дуги с.-, выделением кислорода, окисляющего графит чугуна.

S .

В связи с эткм в .данной работе были лоставлоны следующие задачи исследования:

- разработать математическую модель рафинирования электродного покрытия;

- разработать специальное покрытие и технологию : сварки -чугунных деталей тракторов и сельскохозяйственных машин;

- изучить физике-механические свойства наплавленного металла. Произвести анализ сварных швов на чугуне, прочностные .свойства, химическую неоднородность зоны сплавления;

- экспериментально' подтвердить технологию восстановления экспериментальными .электродами и выявить* ее преимущества с существующими технологиями;

- оценить экономическую эффективность, применения предлагаемого способа сварки при восстановлении чугунных деталей тракторов и сельскохозяйственных машин.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки создания новых материалов для сварки чугуна» приведена модель кинематики металлургических процессов в сварочной ванне и влияние состава электродного покрытия на кристаллизацию сварочной ванны и технологическую свариваемость .

В процессе расплавления металлического электрода, в виду воздействия кислорода и азота воздуха, происходит ряд сложных химико-металлургических процессов. В результате этого в наплавленном металле количество углерода и постоянных примесей может значительно отличаться от их содержания в электродном стержне и основном ме- , галле. -

Неизбежное различие химического состава основного л присадочного материала и наличие примесей усложняет металлургический процесс при сварке, основными особенно-стяьв* которого является: интенсивный нагрев небольшой массы металла в месте сварки, высокая температура л последующее быстрое охлаждение наплавленного металла и зоны сварки.

В соответствии с диаграммой железо-углерод наблюдается рост чугуна при. нагреве происходит практически- зо всех: зонах, хотя время, пребывания указанных зон при температурах нагрева незначительно.

Таким, образом, суммарное воздействие теплового, цикла. сварки, способствует:

— возникновению хрупких и твердых структур;

— изменению объема участков. околошавной зоны за счет их. нагрейа и последующего.охлаждения;

— з« счет частичного протекания .процесса, графитиза-ции и. отбела, зозмсжон рост чугуна.

Befe эти: фа*к'торы определяю1)! трудности при сварке^ наплавке и последующей- обработке шва чугунных, деталей. . ' .,При сварке химический состав и структура 'наплавленного металла, испытывают существенные- превращения, в процессе расплавления основного металла ■ структурно-^ свободный- углерод частично растворяется в- жидком металле, частично- принимает непосредственное участие, а химических реакциях. В этих-, условиях, протекают следующие реакции окисления"

Высокая температура, при которой протекают эти ре-, акции, способствует преимущественному выгоранию углерода.

■ С-*-О, = С02 + 408.841 кДж, ■ € + С02 =2СО-160,605 1<Дж,

1-О, = $¡0, +822,571 кДж, ■ : , П )

Мп + ^СК = МпО+379,914 кДж, 2' ■* -

■Ге+До, = РеО+279,314 кДж.

■ .■■■■. . 2

, Кроме .реакции окисления, протекают и реакции восстановления. ^Восстанавливается, прежде всего, закись железа,\ образовавшаяся?-во. время прохождения капель приса-'; дочного материал.а . через дуговой промежуток :. \ ";

РеО + С = Ре+СО-156,096 кДж, ' РеО-г Мп = Ре + МпО +100,860 кДж, " <2)

- 2РЮ+Б1=2Ре+:5Ю2+263,743кДк.

Газообразные продукты реакций СО и1 ,СОг являются главной причиной образования пор в наплавленном металле, продукты других реакций могут образовывать -шлаковые' и неметаллические включения.

Из-за различия химического состава основного и наплавленного металла, температура плавления, различная (например, в случае стального электродного стержня ока Судет 'Значительно ЕЬШе) . у;.':,;

Жидкий чугун в этой зоне не может смешиваться с уже затвердевшим наплавленным металлом. (се.мперг.тура затвердевания которого заметно выше) и, рыстро ,охлаждаясь, образует зону повышенной твердости.

Анализ имеющейся информации позволяет заключить, ; ■ что : не имеется надежных а достаточно т.ехнологичёски,х-. способов сварки чугунных базисных деталей, рбеспечиваю-ших получение структуры серого .чугуна, высокой .прочности , долговечности - -и , герметичности. сварного соединения.

«1-« :-о;'уг:эник ыеталлз аьз в вила ст-гли.

валиой металлургической операцией является.рафики-' ронание металла, то есть;очистка от вредных примесей.. а. частности для сплавов на железной основе от серы -л фосфора. . '".' : ; ,-' .: .

. Уменьшение ГеЗ.в жидком металле достигается взаимодействием /штаков,; содержащих МпО и' СаО. При этом происходит реакция .

: БеБ и- (МпО) -н> (МпБ) +- РеО,]

РеЗ + (СаО)-И-(СаБ) + РеО. ] 1.3'

С константами

' [Ре8](МпО)' ^ __ (Са5)[РеО| Л2 [РаЗ](СаО)

(4!

..;: -Анализ - этих " констант показывает, что . уменьшение концентраций - ГеЭ в•металле: способствует лучшая; раскис—', -леннссть. металла^ ¡уменьшение [ГеО]} й увеличение МпО- и■ СаО з злаках. В связи с этим.основные- шлаки-значительно .более .благоприятны,: по их-: влиянию на уменьшение • концентрации серы в ме'Ьал.^е шва. ;; . в третьем ■ разделе- -«Предварительные исследования» проведен анализ технологических свойств опытных электродов с разными коэффициентами покрытия. :

Обмазка наносилась на стержень из ниэкоуглеродистой стали Св-ОЗА, диаметром 3 мм. V/..;

Потребляемая сила тока около 30 А на один мм диаметра электрода. .- При: сварке происходит диссоциация входящих в. состав . покрытия : компонентов по; реакциям ■,

2КС10г-»2Ка+3021] СаСог«Са0+'С02, 1 СО: = ССМ-О. ]

Таблица 1:

Технологические свойства электродов

СаСОз КС 103 Коэффициент покрытия, % Показатели технологичности

20 ВО- 20 .. Шов имеет высокую твердость., расплавление Электрода происходит быстрее, чем покрытия.-

15 . . 65' ■ Iе Шов-имеет твердость КЯС 20-30, : горение г стаСилькое, плавление -по--;: крыгия -и стержня равномерное.

7 53 . •16 То же - ■„■■, • •

.100 . 16 . ■ ■ Формирование шва плохое, так .как., покрытие -не успевает расплавлять-, ся одновременно Со стержнем, на конце электрода -образуется «зонтик» из покрытия, который разрушается при горении дуги и частицы твердой обмазки падают в • сварочную ванну.

10 . 90 - 16 . Формирование шва хорошее, горение дуги стабильное, обрабатываемость шва хорошее, плавление покрытия и электрода одновременное. Твердость тс <*зо. ■

1С . .90 : ,22 То же.

Кислород окисляет в процессе -сварки углерод чугуна,

а также марганец, кремний серу и фссфор. Реакции англо-_ тичны реакциям, протекающим ь кислородном конверторе. Образующийся тугоплавкий окисел SiOj совместно с СаС ч окислами {NaO)SiO:. образует тонкую .пленку ..относительно' легкоплавкого шлака.-Получается комбинированная .зашита сварочной ааннк (углекислый газ.плюс шлак).

Все эти процессы, способствуют . повышению вязкости металла шва и улучшению его обрабатываемости.

В четвертом разделе приведена-методика .экспериментальных исследований, которая предусматривает их: вьшол-нение в следующей последовательности: исследования

• чфизикогмеханических . свойств . металла: шва/ прочность сварных соединений, исследование химической неоднорсд-

• НОСТИ. ' • ■" - - ' ,-, : -

■ Для решения поставленных задач были -составлены проведения -лабораторных и эксплуатационных "испытаний, маг тематической обработки результатов и оценка точности экспериментальных .данных.

Исследования физико-механических свойств металла шва определяются его микроструктурой, твердостью и химическим -составом. Микроструктура изучалась «а металло-.микроскопе МИМ-8 {ГОСТ 1778-77; .' Наиболее хйрактер.ше--участки структуры фотографируются на микроскопе МИМ-SK, при увеличении в 120 раз для первичной структуры, твердость наплавленного металла определяется на твердомере. Рохвелла ТК-2М [ГОСТ 9013-59) по шкале «С».

Микротвердость определяется на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76).. .

Методика исследования прочности сварных соединений, условия проведения испытаний, подсчет и -оценка результатов в соответствии требованиям (ГОСТ €996-66). Обработка данных производилась на ЭВМ IBM-PC/AI»486 -по лро-

грамме ЗСаСдгарЬ.

Методика исследования химической неоднородности на^ плавленного металла и переходной зоны наплавленных чу- . гунных образцов проводились на электронно-зондовом микроанализаторе ХБИ-ЗЗвОЭ фирмы 1Е0Ь, работа которого основана на использовании явления разложения длины, волн..

. . Метод . определения . окиси 'углерода - индикаторной ' трубкой (гост 8.001-71). г. ,

■ В пятом . разделе «Анализ результатов исследований»-физико-механических свойств характеризуется его; знут- : ренним строением (микроструктурой) .твердостью и химиче- ; ским составом.

Микроанализ образцов показал следующее:, - ..."•■ .

- независимо' от вида применяемых электродов у линии сплавления в основном металле наблюдается зона отбела, наибольшую протяженность {более 2 мм) она имеет при использовании электродов .034-2, при :.сварке- опытными электродами минимальная глубина отбеленной зоны составляет 0,15-0,2 мм, у электродов МНЧ-2и ПАНЧ-11 не превышает 0,1 мм; '• — шов, выполненный опытным электродом, имеет незначительную неоднородность, что подтверждается изучением первичной структуры. 1 ; Для подтверждения данных микроанализа проводились измерения, микротвердости как металла ава, так и основного металла в зоне термического влияния.

, Данные, исследования микротвердссти подтверждают ре-зультзть! .ч2Шфоанализа. Во зсех 'случаях наблядается уве-' лнчание микротвердости з зоне термического влияния,, ясно ■ видна'': зона повышенной твердости. Ее ширина макгси- ' мальна при- использовании электродов 034-2, у этого же электрода; наблюдается высокая твердость- включений "■. в'

; шве, обычно именуемых «волчками».

Микротвердость их достигает 6000-7000 КПа.

: ■ Таблица .' 2 "

. Микротвердость структурных, составляющих

Л' п/п ■ Наименование структуры /. Разброс НМ, . Мпа! . Средняя НМ; Мпа

■ 1 Цементит 8500 - 9270 8885 .-.

2 Ледебурит 5400 - 6.4.00 5900

3 Перлит •; ; 2030 - 2760 2395

• 4 Троостит ;■., . ; . 4120 - 4300 4210

5 Сорбитообразный перлит. ; 3210 3210.

■ ■ -г

6000

400(1

г ооо

-1Д> « 1.Ю 1,0 30 «м

•Рис. 1. Микрогзердость по ширине-шва -

Анализ результатов, исследования химической неоднородности йри холодной сварке чугуна показал следующее:

1.При сварке опытными электродами неоднородность по марганцу ■ ' практически- . отсутствует. Содержание кремния уменьшается от-' 1,3% в чугуне до 0,74%. в металла щза,.: .что способствует • увеличению- ширинй зоны термического влияния..

2.При сварке- проволокой ШШЧ-1Х содержание марганца покушается от 1,3% в чугуне до 5,3% в металле шва, в переходной зоне наблюдается повышение содержание марганца до 1,5%, что увеличивает склон--.чость ¿с отОелу, хотя. ширина диффузионной зсны минимальна . Содержание кремния не более 0,4-0,15%, -что способствует уменьшению отбе.Л"а.,

3.При сварке электродами МНЧ-2 содержание марганца в основном металле: и диффузионной- зоне практиче-

ски постоянно, около 0,7%, в металле шва его содержание увеличивается до 1,64-1,8%. Содержание кремния уменьшается от 1,3% в основном металле до 1% у линии сплавления и далее падает б металле-шва до 0/36%. ОтЬел более значителен чем у ПАНЧ-11, где то на уровне опытных электродов.

4 ."При сварке электродами ОЗЧ-2 содержание кремния снижается от основного металла 1,3% к линии ■сплавления 0,03%, в металле шва (медь + чугунные «волчки») содержание кремния также очень низкое, поэтому «волчки» и диффузионная зона имеют структуру белого чугуна. Изменение марганца незначительно Ширина отбеленной -зоны достигает 2 мм.

1Д5

1.00

а 0,75

еч

К &

и §

° 0,50

0Д5

0

-ив

.л—

Г — . -Л./.

А* 1 1 и ■ —— А / 4й —„- — "V *

и к А / 1 1 / / 'к

опьг теые 11 '/ р| / 1 1 1 1 1 1 /

МВЧ-^ ___£... ПАНЧ-П Г| 1 1 !/« 1 основ ной метал л

та озч-г_ 03 —- 1 •

-0,5

О 05 I 13 2,0

Расстояние отлшпгн сплавления

Рис. 3. Химическая неоднородность, у линии сплавления : (по кремнию): Л - опытные электроды; О - МНЧ-2; О -ПАНЧ—11; X - ОЗЧ-2. ...

ч

4(1 ПЛНЧ-11 1 ' ■

1,6 1 1 а \

1,4 1а о 1 1

— МНЧ-2 >

опы- ■иые л я X < ■ ■ -т^-— --

* "~У\ 1 ОЗЧ-1 ...... ■■ - а— V--г —гт-—

01_ У"-' ,, I_ ,1 ,„,[,,. .1___

-1,0 А5 О 0,5 «,0 14 го ии

Расстояние от лшшн сгсдааленкя

Рис. 4. Химическая неоднородность у линии сплавления (по марганцу): Д - опытные электроды; О - МНЧ-2; О -ПАНЧ-11; X - 034-2.

Для оценки качества сварного соединения проводились ' испытания на растяжение. Прочностные. свойства, сварных соединений представлены а таблице 3..

■'■■ : Таблица 3

'•. Прочностные свойства сварных, соединений .

№ - Наименование . ■:'-• Временное Место разрыва

п/п . электрода ■ . сопротивление.

1 ПАНЧ-11 114,4 - 183 . По шву

ПАНЧ-11 V130.:- 236;..,; По ЗТВ

2 МНЧ-2 78,8 - 130 По шву

МНЧ-2 . 110,3 - 170,2 По ЗТВ

3 034-2 . 104 - 122 V По шву

034-2 . 146,8 - 175,5 По ЗТВ

4 Экспериментальные ~ 130-181 По шву

по а.С. № 1007294 150 - 192 По ЗТВ

Многие образцы- разрушались "'по' основному, металлу при

прочности, более 200 МПа, шов имеет- прочность выше 192 КПа при отсутствии в' нем дефектов. Микроанализ показал,-, что б любом случае у линии сплавления наблюдается от-бел, у всех электродов зона отбела практически одинакова, только при сварке ПАНЧ-11 она значительно уже. Проведено исследование отношение коэффициента фор!Лы провара относительно положения электрода в пространстве, при разной полярности экспериментального электрода.

. V,

10 9

3 7 6 5

4 3 2 1

4

Ч*

\ \

к

К] N

•р

0 10 20 30 40' 50 60 70 80 90 а" Рис. 5. Коэффициент, формы провара в зависимости от угла наклона электрода: Д -угол назад, обратная полярность (+ на электроде); О -угол назад, прямая полярность (- на электроде); X -угол вперед, обратная полярность (+ на электроде); О -угол вперед, прямая полярность ..{- на электробе).

Сила тока постоянная на всех режимах и равна 100 А, диаметр электрода 3 мм, полярность изменялась, скорость перемещения электрода постоянная 4,2 м/ч. .

Из графика видно, что род и полярность тока влияют на глубину й ширину дровара. При сварке на обратной полярности глубина провара примерно на 40-50% больше, чем при сварке на прямой полярности.

Наиболее благоприятным режимом сварки является обратная полярность при угле от 60-90°.

' ОБЩИЕ ВЫВОДИ

•

Многочисленные исследования, холодной сварки чугуна показали следующее:

1. Наиболее употребительный для холодной сварки чугуна состав электродного металла, обеспечивающий состав металла иза -не чугун, -должен: содержать элементы, не образующие соединений . с. углеродом /медь, никель/. Это электроды МНЧ-2, ОЗЖН-1, проволока ПАКЧ-11.

2. В зоне сплавления (тонкий слой, прилегающий к границе наплавленного металла) при свойственных, для холодной сварки высоких скоростях, охлаждения {более. 30°С/с)- углерод не успевает выделиться в виде графита и застывает в связанном состоянии, образуя твердую прослойку. Отбелу способствует и перераспределение кремния между жидкой и твердой фазой в момент их существования.

3. Нами; разработана математическая модель рафинирования электродного покрытия, электродное покрытие, и. технология сварки обеспечивающая1 состав металла шва-не чугуна - в виде мягкой стали. Качество сварного соединения обеспечивается технологией сварки и.рафинировани-.

ем металла шва , за счет удаления избыточного углерода, серы, -фосфора путем связывания его кислородом покрытия (А.С.М0072Э4 :СЧС)

4. Экспериментальные исследования подтвердили, ис-- следования показали, что при определенном соотношении

компонентов покрытия получается качественное сварное соединение чугуна с■чугуном и со сталью. Металл шва -низкоуглеродистая сталь с • достаточной обрабатываемостью, твердость не более КНС25.

5. Для -определения технологических коэффициентов и предела прочности сварного: соединения из серого чугуна на статическое растяжение произведена сварка стыксзого соединения (СЧ-21), тип образца ХХГУпо ГОСТу 6996-66: ..

--электрода^ стержень 03-мм Св-08А;

- диаметр покрытого электрода 3,7 мм; .

- коэффициент покрытия по толщине средний 1,23,- коэффициент покрытия по массе 1,12;

-потребляемая сила тока 100...110А, вид тока - перемен; ный и.постоянный;

- потери на разбрызгивание и угар 4,5...3,5%;

- коэффициент наплавки 8,4...9 г/А-ч;

- коэффициент расплавления 9,7...10,6 ; /А-ч;

- предел прочности на растяжение 192 МПа;

- расход электродов на 1 кг наплавленного металла 1,25 кг.

6. Анализ экономической эффективности подтверждает целесообразность использования экспериментальных электродов, .при этом себестоимость заделки . одной трещины составляет 3,15 руб. в ценах 1990 года..

Основные материалы диссертации опубликованы а следующих работах;

1.A.с. №1007294 (СССР). Состав электродного покрытия/Коваль A.B., Якиыенко В.П., Корчемкин П.А.-Заявлена 7 сентября 1981 г. »3333491/25-27. Опубл. в Б.И. 23.11Л982 г. №1007294. М. Кя. В23К35/365.- 7 с.

2.Восстановление чугунных деталей сельскохозяйственной техники сваркой экспериментальными электродами/ /Прогрессивная технология ремонта машин з Приамурье.- Благовещенск, 1986.- с. 50-55.

3.Определение прочности сварных соединений из чугуна при.сварке опытными электродами//Прогрессивная технология ремонта машин в Приамурье.- Благовещенск, 1988..- С. 32-37.

4.Химическая неоднородность зоны сплавления при холодной . сварке чугуна//Прогрессивная технология ремонта машин в Приамурье.-, Благовещенск, 1992,-С. 19-23..

..5.Анализ сварных швов на чугуне//Прогрессивная технология ремонта машин в Приамурье.- Благовещенск, 1992.-С. 23-29.

б.Формирование наплавленного.металла//Прогрессивная технология ремонта машин в Приамурье.- Благовещенск, 1995.-.С. 16-19,

Лицензия ЛР 0204Е7- от' 25.04.1997 г. ./ч.-ззя. л. - 1,0. Тираж 60 экз. Заказ 87.

Огтлчатано ка ротапринте издательства Хальмвосточного

государственного аграрного- университета

575005, г.' Благовещенск,' ул. Политехническая,. 86

РГо

2 7 МАЙ №97

НАЩОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УШВЕРСИТЕТ

О/а правах рукопису 1вановський Олександр Володимирович«^^^^-2--

РОЗРОБКА МОДЕЛЕЙ ТА АЛГОРИТМ1В ФУНКЦЮНУВАННЯ КОМУТАЦ1ЙНО-ЗАХИСНИХ

ПРИСТР01В ЕАЕКТРОДВИГунт В аЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОМУ ВИРОБНИЦТВ1

05.20.02 — застосування електротехнологш в

альськогосподарському виробництв1;

05.09.03 — електротехшчш комплекси та системи

Автореферат дисертацн на здобуття наукового ступеня кандидата техтчних наук

КиТв — 1997

Дисертащею е рукопис

Робота виконана на Вжницьюй державнш сшьськогосподарськш досшдни станци УААН

Науковий кер1вник: доктор техшчних наук, професор М1шин Володимир 1ванович

Офщшш опоненти: доктор техшчних наук, професор Овчаров Володимир Васильович

кандидат техшчних наук, доцент Лавриненко Юрш Миколайович

Провщне пщприемство: ¡нститут мехашзаци та слектрифшаци сшьського

господарства УААН

Захист вщбудеться "¿0" 1997р. о годин! на засщанн

спещашзовано! вченоТ ради ДО 1.05.05 у Нащональному аграрном; ушверситет1 за адресою: 252041, Кшв-41, вул.ГероТв Оборони 15, учбовш корпус 3,аудитор!я 65.

3 дисертац^ею можна ознайомитися в б1блютещ Нацюнального аграрной ушверситету (НАУ).

Автореферат роз1сланий "УУ_1997р.

Вчений секретар спец1ал1зовано'1 вченоТ ради, кандидат техшчних наук

Л.П.Тищенко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ 1.1. Актуалыпсть роботи

Статистичний матер1ал, з1браний рядом науково-дослщних оргашзацш та шститупв свщчить про те, що в сшьському господарстп1 кожний рш виходить з ладу 20-25% електродвигушв, а бшып як 80% \'х Б1дказ1в пояснюеться недосконашстю техшчних ршень та алгортлмв функцюнування комутащйно-захисно!' апаратури з урахуванням специфики с.-г. виробництва, що гвдтверджуеться щор1чним виходом з ладу до 17% магштних пускач1в 1 15% автоматичних вимикач1в, а строк служби комутацшних пристро\'в складае не бшьше 5 рок1в, при цьому частота вщмов у 2-2,5 рази бшьша, шж для аналопчних апарат1в у промисловостк

Недосконашсть захисноТ апаратури доводиться тим, що вихщ електродвигуна з ладу е наслщком несвоечасного вимикання його вщ мереж1 при виникненш авар1йного режиму роботи та усунення причини, що його викликала. Отже, ¡з вище сказаного слщуе, що проблема удосконалення комутацпшо-захисноУ апаратури трифазних асинхронних електродвигушв актуальна 1 мае велике народногосподарське значения.

При удосконаленш комутацшно1 апаратури, застосування таких традицшних напрямюв, як пошуки оптимальних р1шень розробки вузл1в к]'нематики, систем догогасшня, застосування нових контактних матер!ал1в вже не дозволяе радикально покращити ¡снуючий стан проблеми. Пошуки виршення дано'1 задач! ведуть до двох основних напрямюв розробок комутацшних пристро'1в:

1. Створення безконтактно'1 комутацшно'1 апаратури;

2. Створення комбшованоТ апаратури з бездуговою комутащею.

Оптимальний захист асинхронних електродвигушв вщ аваршних режигмв роботи повинен техшчно реал1зовуватися на основ1 багатовим1рних функцюнальних залежностей, яю враховують максимальну кшьюсть взаемозв'язаних параметров. Вирппення дано'1 задач1 може здшсшоватись по двом основним напрямкам розробки пристроГв захисту, ят функцюнують на основа

1. Методу аналггичного моделювання багатовим1рно\" функцюнально! залежносп.

2. Табличного методу моделювання багатовим1рноТ функцюнальноУ залежносп.

Високий р1вень розвитку силово! нашвировщниково! техшки та електронно! схемотехшки обумовлюють створення надшно! комутацшно-захисно! апаратури.

Дана робота виконувалась в лабораторп мехашзацц на Вшицъкш державнш с.-г. дослщнш станцп'УААН у 1990-1995 рр. за проектом 16.02 программ "Продовольство-95" та напрямюв 10.02; 11.02 программ "Фундаментальш дослщження" плану НДР УААН.

1.2. Мета та завдання роботи

Метою дослщжень е пщвшцення надшносп функцюнування комутад1йно-захисних пристроУв \ як наслщок того — трифазних асинхронних електродвигун!в у с.-г. виробництвь

Для досягнення поставлено! мети ашд вир1шити так1 завдання:

1. Обгрунтувати алгоритм синтезу, загальну методику та основш напрямки проектування автоматичних комутацшно-захисних пристроУв трифазних асинхронних електродвигушв (АКЗПТАЕ);

2. Розробити алгоритми функщонування та математичн1 модел1 безконтактних 1 комбшованих комутащйних блок1в АКЗП ТАЕ;

3. Визначити -та обгрунтувати основш алгоритми захисту електродвигушв;

4. Розробити систему загальних моделей захисних блогав АКЗП ТАЕ;

5. Розробити алгоритм функщонування та математичш модел1 лопко-часових пристрош захисту електродвигун1в:

- без контролю значень параметру часу;

- з контролем значень параметру часу;

6. Розробити алгоритм функцюнування та загальну модель багатоканально'1 автоматично! системи захисту електродвигушв;

7. Обгрунтувати методи реал1заци надшного захисту електродвигушв;

8. Розробити способи та техшчш засоби випробування техшчно реагпзованих АКЗП ТАЕ;

9. Оргашзувати виготовлення та виробнич1 впровадження АКЗП ТАЕ.

Об'сктн достжень. Об'ектами дослщжень е модел1 та алгоритми функцюнування АКЗП ТАЕ, як1 працюють в склад1 електрообладнання с.-г. виробництва.

Методи дослшжень. В теоретичних дослщженнях використовувалися апарат математичноГ лопки та теорн алгоритм1в. Експериментальш доашдження в лабораторних умовах проводилися на спещально розроблених стендах, а отримаш результати оброблялися з використанням метод1в математичноТ статистики та теорп ймов1'рностей.

1.3. Наукова новизна

Наукова новизна роботи полягае в слщуючому:

- на основ! проанал1зованих умов роботи електроприводу у с.-г. виробниц™ обгрунтована та побудована структурна причино-наслщкова схема виникнення аваршних режим1в роботи електродвигушв, з урахуванням яко'1 виникае можлив1сть проектування бшьш техшчно ефективно! комутацшно-захисно! апаратури;

на основ1 анал1зу ¡снуючих принцишв захисту електродвигушв 1 техшчних засоб1в Гх реал1заци запропоновано узагальнену класифнсацго алгоритм1в та пристроУв захисту електричних двигушв;

- розроблено алгоритм синтезу та загальну методику проектування АКЗП ТАЕ на основ1 використання апарату математично1 лопки та теорп алгоритм1в;

- розроблено математичш модели функцюнальш схеми 1 алгоритми функцюнування комутацшних та захисних блоюв АКЗП ТАЕ.

1.4. Практична цшшсть 1 реал1зашя роботи

Практична цшшсть роботи полягае в слщуючому: - розроблеш алгоритми функцюнування, математичш модель функцюнальш 1 принципов! схеми безконтактних та комбжованих АКЗП ТАЕ дозволяють бтьш як в 3 рази тдвищити експлуатацшну надшшсть та ефективн1сть комутацшно-захисно1 апаратури у с.-г. виробництвц

запропоноваш шляхи шдвищення ефективносп теплов1ддач1 контура системи повггряного охолодження

АКЗП ТАЕ дозволять створювати бшьш ефективш пристроУ захисту електродвигушв;

розроблеш конструкцшш виршення техшчного обладнання для налагодження та випробовування безконтактних I комбшованих АКЗП ТАЕ дозволяють прискорено здшнювати перев1рку та подготовку до роботи комутацшно-захисно1 апаратури;

- розроблено метод визначення еконоипчноУ ефективнот комутацшно-захисних пристроУв трифазних асинхронних електродвигушв.

Результати дослщжень можуть бути використаш проектно-конструкторськими оргашзащями 1 науково-дослщними закладами при створенш перспективних конструкцш АКЗП ТАЕ.

Реал1зашя 1 впровадження. Результати дослщжень використано Украшською ф1рмою "ТЕМП" при розробщ 1 виготовленш системи безконтактних та комбшованих АКЗП ТАЕ, а також багатоканальних автоматичних систем захисту електродвигушв. На даний час ф1рма "ТЕМП" виготовляе:

1. Безконтактш АКЗП ТАЕ трьох величин:

- перша величина: до 6 кВт;

- друга величина: до 12 кВт;

- третя величина: до 40 кВт.

2. Комбшоваш АКЗП ТАЕ першо'1 1 друго! величин (до 6 1 до 12 кВт).

3. Освоюеться виготовлення десятиканальних автоматичних систем захисту електродвигушв.

Розроблено 1 впроваджено у виробництво техшчне обладнання для налагодження та випробування АКЗП ТАЕ.

1.5. Апробащя роботи

Основш положения дисертаци доповщались I обговорювались на вчених радах Вшницько!' державно'1 с.-г. досшдноК станци УААН, 1МТ УААН (шститут мехашзацп тваринництва УААН, м.Запор!жжя) (1990-1996рр), 1МЕСГ УААН (шститут мехашзацп та електрифтцп сшьського господарства УААН, с.м.т.Глеваха Василъювського району Кшвсько! облает^ (1990-1991рр), на щор1чних науково-практичних конференщях, обласних та районних семшарах, яю проходили на Вшницькш державнш с.-г. дослщнш станцп (1990-1996рр), на науково-

техшчних конференщях Нацюнального аграрного университету (м.Кшв) (1993-1996рр).

Публ1каип: Основш положения дисертаци 1 результата дослцщень викладено у 42 друкованих роботах 1 6 науково-дослщних звпгах.

Стурктура » об'ем робота; Дисертацшна робота складаеться з вступу, 4 (чотирьох) роздшв 1 загальних висновюв, списку лггератури 1 додатюв. Робота викладена на сторшках

машинописного тексту, включае 13 таблиць, 77 рисунк1в, 174 б1блюграф1чних посилань, додатки (16 сторшок).

1.6. До захисту подаеться:

- алгоритм синтезу, загальна методика та основш напрямки проектування АКЗП ТАЕ;

- математичш модел1, функцюнальш схеми та алгоритми функщнування комутацших i захисних блоюв АКЗП ТАЕ;

- основн1 методи реашзацн надшного захисту електро-двигушв;

- техшчна реал1защя та методи дослщження АКЗП ТАЕ.

2. ЗМ1СГ РОБОТИ

У Bcrvni обгрунтовано актуальшсть робота, сформульоваш мета та результата роботи, що подаються на захист. Шдкреслена новизна наукових результата, i'x практична цшшсть.

Перший розд1л "Стан питания та задач! дослшжень" дисертащйноТ роботи присвячений анашзу ¡снуючих АКЗП ТАЕ у с.-г. виробницга, який включае в себе розгляд:

- загально! будови та призначення АКЗП ТАЕ;

- особливосп роботи автоматичних комутацшно-захисних пристроУв i трифазних асинхронних електродвигушв в умовах с.-г. виробництва, на ochobI чого запропоновано загальну причино-наслщкову схему виникнення аваршних режим1в роботи електродвигушв, з яко! сл1дуе, що вщхилення числових значень одного або кшькох ¡з конструкцшних, технолог1чних, електричних, мжроюиматичних параметр1в за меж! допустимих е

причиною виникнення аваршного режиму роботи електродвигуна, а наслщок — вихщ електродвигуна з ладу;

- класифжаци та анал1зу основних принцишв i техшчних засоб1в комутацн i захисту електродвигушв, на основ1 чого запропоновано класифпсащю алгоритм1в та пристроТв захисту електродвигушв.

Запропонована класифшащя апгоритм1в ' захисту електродвигушв слщуе ¡з розгляду оптимального алгоритму захисту, в загальному вигляш який можна виразити слщуючим чином:

tc=/(xi,x2,..., Xn-i), n-> max, (1)

де tc — значения часу спрацьовування пристрою захисту;

XI, Х2,..., Xn-i — значения параметр1в, яю дттъ на

електродвигун.

Якщо в багатовим1рнш функцн (1) значения параметра xi е змшними, а Х2, хз,..., xn-i — постшш, то дана функщя буде основою жорсткого алгоритму захисту електродвигуна.

Якщо в багатовим^рнш функцн (1) мпимальне число змшних параметр1в piBHe двом, тобто Xi # const, Xj const, то дана функщя буде основою гнучкого алгоритму захисту електродвигуна.

Комбшований алгоритм захисту електродвигушв е одночасним функщонуванням жорсткого та гнучкого алгоритм1в захисту.

Запропонована класифжащя пристроТв захисту електродвигушв проводиться:

- по способу виконання пристроТв у вигляда цифрових, аналогових та аналого-цифрових систем, яи розподшяються на системи захисту з контролем значень лише одного параметра — моноблочш, i кшькох параметр1в — багатоблочш;

- по принципу управлшня захистом двигуна моноблочш та багатоблочш системи розподшяються на системи з роз1мкненим i замкненим ланцюгами управлшня захистом, яю функцюнують на основ! жорстких, гнучких та комбшованих алгоритмов захисту електродвигуна.

На основ! анал1зу кнуючих АКЗП ТАЕ у с.-г. виробництв! сформульована мета роботи i поставлен! ocHOBHi задач1 дослщжень.

Другий роздш "Синтез автоматичннх комуташйно-захисних пристроТв трнфазних асинхронних електродвигушв

(АКЗП TAEV' дисертащйноТ робота присвячений теоретичним дослщженням, направлении на виршення таких задач як:

- обгрунтування алгоритму синтезу АКЗП ТАЕ;

- обгрунтування загально! методики та основних напрямюв проектування АКЗП ТАЕ;

- розробка алгоритм1в функцюнування та математичних моделей безконтактних i комбшованих блоюв АКЗП ТАЕ;

- розробка системи загальних моделей захисних блоюв АКЗП ТАЕ на 6a3i основних алгоритм1в захисту електродвигушв;

- розробка алгоритму функцюнування та' математичних моделей лопко-часових пристро!в захисту електродвигушв: без контролю значень параметра часу i з контролем значень параметра часу;

- розробка алгоритму функщонування та загально! модел1 багатоканально! автоматично! системи захисту електродвигушв;

- обгрунтування метод1В реашзаци надШного захисту електродвигушв.

Алгоритм синтезу АКЗП ТАЕ вщображаеться в слщуючих шести основних правилах:

1. Задаеться словесна модель, яка враховуе початкову i вихщну ¡нформашю, а також операцп та функцн, як1 реал1зуються АКЗП ТАЕ;

2. Зд1Йснгоеться формал1зац1я словесноТ модел1: будуеться схема у вигшда "чорного ящика" та словесна модель задаеться у структурно-стшизованому виглядг,

3. Будуеться загальна модель АКЗП ТАЕ: складаеться структурна схема та задаеться алгоритм и функцюнування у загальному виглядг,

4. Формуються вимоги до окремих блок1В структурно! схеми та складаються алгоритми ix функцюнування;

5. На основ! алгоритм1в функщонування окремих блок1в структурно! схеми проектуеться функц10нальна схема АКЗП ТАЕ та и конкретний алгоритм функцюнування;

6. На основ! функц1онально! схеми проектуеться принципова схема АКЗП ТАЕ.

Загальна методика проектування АКЗП ТАЕ розподиметься на два основш етапи: I — проектування триполюсних контактор1в; 2 — проектування захисних блоюв. Кожний ¡з двох eTaniB дшиться на три можлив! напрямки проведения розробок. Перший етап можна здшснювати за такими напрямками, як розробка контактних контактор1в - 1.1, нашв-провщникових KOHTaKTOpiB - 1.2, комбшованих контактор!в - 1.3. Другий етап можна здшснювати за такими напрямками, як

розробка захисних блоюв, функщонуючих за жорстким алгоритмом захисту - 2.1, гнучким алгоритмом захисту - 2.2, комбшованим алгоритмом захисту - 2.3. Отже к'тыасть напрямк^в проектування АКЗП ТАЕ — N визначаеться за формулою, яка мае слщуючий вигляд:

N = П1 • П2, ; (2)

де т — кшьюсть напряммв проектування триполюсних контактор1в;

П2 — кшыасть напрямщв проектування захисних блошв. Таким чином, проектування АКЗП ТАЕ в загальному можна здшснювати за дев'ятьма напрямками (Ы = 9), але в загальну методику проектування АКЗП ТАЕ дано'г робота входить проведения розробок лише за ипстьма напрямками, тобто ш = 2, те {1.2, 1.3}, П2= 3.

Використовуючи апарат математично! логпш та алгоритм синтезу АКЗП ТАЕ, будуються математичш модел1 складових блоюв АКЗП ТАЕ, а на 1х основ1 проектуються функцюнальш схеми. Отже одним ¡з основних результата теоретичних дослщжень е побудова математичних моделей таких складових блоюв АКЗП ТАЕ, як:

- натвпровщниковий триполюсний контактор з ручним вмиканням блоку живлення, математична модель якого мае слщуючий вигляд:

с, =((^1 + 2)х2)С1 (3)

■ с2={{х1 + г)хг)С2

С1={{х1 + г)хг)Сг де XI, Х2 — сигнали вмикання та вимикання пристрою; г — вйхщна змшна елемента пам'ят1; с,- — вйхщна зм'шна однотактного 1-го автомата, 1 е {1,2,3}; С,— вхщна змшна однотактного ¿-го автомата;

натвпровщниковий триполюсний контактор з автоматичним вмиканням блоку живлення, математична модель якого мае слщуючий вигляд:

с, = (((*,+с3) + г)зс2)С, (4)

' с2=(({х1 + с3) + г)х2)С2 сз = (((*! +

блок управлйжя триполюсного комбшованого контактора, блок-схема алгоритму функцюнування якого подана на рис. 1(а), а математична модель мае слщуючий вигляд:

X — Xj "Ь хъ

Уг = (*i + Уг)* (5)

У\ = + y{)z г = У\УгУ\,

де хз — сигнал, шформуючий про роботоздатшсть контакт комбшованого контактора; yi — сигнал керування силовими нашвпровщниковими ключами;

уг— сигнал керування контактним контактором; y'i,y'2— щформуюч1 сигнали про роботу силових нашвпро-вщникових kjiio4íb i контактного контактора (y'i=l — система включена, y'i=0— система виключена, ie {1,2}); блок управлшня триполюсного комбшованого контактора, блок-схема алгоритму функцюнування якого подана на рис. 1(6), а математична модель мае слщуючий вигляд:

У\ =(*i +z, +y\)z

г = У\ У +У i УгЧ =(*2 + zi)*i;

блок управлшня триполюсного комбшованого Контактора, блок-схема алгоритму функцюнування якого подана на рис. 2(а), а математична модель мае слщуючий вигляд:

'х = (х2 + *з)

Уг = + Уг)х (7)

Л = + У\

z = УхУгУг

S\ = ЛУ1+ЛУ1

S2 = У2У2+У2У2. де SI, S2 - сигнали, яю ¡нформують про невиконання cboíx функцш операцшною частиною комбшованого контактора;

- блок управлшня триполюсного комбшованого контактора, блок-схема алгоритму функцюнування якого подана на рис. 2(6), а математична модель мае слщуючий вигляд:

Рис. 1 Блок-схеми алгорит\пв функцюнування блоюв

управлшня триполюсних комбшованих koht3ktopíb.

а)

б)

( початок )

( ПОЧАТОК )

( кшець )

Рис. 2. Блок-схеми алгоритлпв функщонування блоюв управлшня з

cигнaлiзaцieю виконання своГх функцш операцшною частиною триполюсних комбшованих контактор1в.

У\ =(*1+г,+У,)г

Уг = (*1 + Ут)Ч (8)

^ = У1Угг1 +-у\у'2г1

Ч = +

Л = У2У\+У2У\

- моноблочний захисний блок, загальна математична модель якого мае сгпдугочий вигляд:

Ум =/; (9)

де у^ — результат прийняття ршення, який дор^вшое лопчному нулев1 або одинищ, je {1, 2, ..., п}, ¡е{1, 2, ..., ггу}, mj — кшьюсть точок виб1ркого простору j-тoгo параметра;

- багатоблочний захисний блок, який функщонуе за жорстким алгоритмом захисту, а загальна математична модель мае слщуючий вигляд:

У =// (хи) ^/2(х21) v... у/п(хп1), (10)

де у - значения лопчноТ суми

- багатоблочний захисний блок, який функщонуе за гнучким алгоритмом захисту, а загальна математична модель мае слщуючий вигляд:

у =/(хп ,хт„ ... , хп1); (11)

- багатоблочш захисш блоки, яю функщонують за комбшованими алгоритмами захисту, а загальш математичш модел1 мають слщуючий вигляд:

). 02)

де / — номер контролюемого параметра, / < п;

У =// (хп) ^/2(х2!) v... у/,(хи) к//(хц, х2!.....хы); (13)

У =Л(х„) У/2(х2,) V... У/,(Хц) X(,.,)!, хп.....(14)

Логжо-часовий захисний пристрш трифазних асинхронних електродвигушв (ЛЧЗП ТАЕ) — це автомат, алгоритм функщонування якого заданий системою лопчних функцш, вщображаючих математичну часо-захисну модель електродвигуна, а принцип захисту грунтуеться на основ1 контролю ¡дентичност! множини вхщних сшв, як1 вщображають значения контрольованих параметр1в з заданою множиною ошв. ЛЧЗП ТАЕ функцюнуе за гнучким алгоритмом захисту електродвигушв, блок-схема якого представлена на рис.3 1 складасться з трьох основних блоюв: 1 — блок уведення множини значень контрольованих параметр1в Х|, Х2, ..., Хп-1 ; 2 — блок пор1внювання уведено'1 множини § з заданими множинами, що вщносяться до групи СД1з множин §|д1з,§2дч,...^гд!з; 3 — виконавчий блок. Отже, при розробщ ЛЧЗП ТАЕ необхщно:

1. Задати оптимальне значения пром!жку часу ДЬ^;^] спрацьовування захисту I визначити Од»:

= (15)

2. Значения параметра Xj необхщно вщображати у вигляд1 кодово'1 комбшацп, яка складасться ¡з mj-l лопчних нул1в та одшеТ лопчно1 одинищ. Таким чином, кодова комбшащя е вхщним словом до системи управлшня захистом (СУЗ) 1 кшьюсть можливих онв по параметру Xj буде дор1внювати значению mj.

3. Множина вхщних ошв складасться ¡з апв, як1 вщображають значения контрольованих параметр1в Х|, хг, ..., хп-1, отже формула визначення ¡нформацшно!' емкосп множини вхщних огив буде мати слщуючий вигляд:

7=1

де I — значения шформащйио! cmkoctI множини вхщних сл1в, 6iT шформацн.

4. 1з формули (16) слщуе, що кшьюсть змшних, ям поступають на входи (а також кшьюсть вход1в) СУЗ pinna

шформацшнш eMKOCTi МНОЖИНИ BXiHHX сшв.

Синтез двоблочних лопко-часових пристро\'в захисту електродвигушв по струму з BUMipoM часу здшснюеться на 0CH0Bi TpHBUMipHOi функцн, яку в загальиому вигляд1 можна виразити слщуючим чином:

у =/(!>, tii ,tcii), (17)

Рис. 3. Блок-схема алгоритму функцюнування лопко-часових захисних пристро1в трифазних асинхронних електродвигушв (ЛЧЗПТАЕ)

де Ii — значения струму в пром1жок часу ti, А; tn — значения часу надходження величини Ii, с; ton — задане значения часу надходження велини Ii, тобто, якщо tn > tcii, то у = 1, с; ten = const.

1з функцп (17) слщуе, що двоблочний лопко-часовий пристрш захисту електровдигушв по струму з BUMipoM часу е автоматичною системою захисту з двома входами (значения параметр1в Ii та tii), блок-схема алгоритму функцюнування яко'1 представлена на рис.4 i складаеться з дев'яти основних блоюв: операцшш блоки — 1, 2, 4, 5, 9; блоки уведення значень струму — 3,6 та блоки пор!внювання — 7,8.

Запам'ятовуюча система сигнашацн аваршних режим1в трифазних асинхронних електродвигушв (ЗССАР ТАЕ) е складовою частиною АКЗП ТАЕ i призначаеться для запам'ятовування та свшюво!' ¡ндикаци контрольованих параметр1в, значения яких вщображають наявшсть аваршного режиму роботим двигуна, а також для здшснення контролю виконання команди вимкнення електродвигуна вщ мережь Математична модель ЗССАР ТАЕ мае сшдуючий вигляд:

izj = (х j + zf)x0 (18)

[ c = dk

параметри, як1 контролюються системою захисту електродвигуна;

■ BHxiflHi змшш блоку пам'ят1 ЗССАР ТАЕ;

■ сигнал управлшня очисткою пам'ят1; сигнал, шформуючий про невиконання команди вимикання електродвигуна вщ мереж1; сигнал, шформуючий про стан двигуна (включений, виключений);

сигнал управлшня вимиканням електродвигуна в1д мережу який подаеться на виконавчий орган комута-ц1йно-захисного пристрою.

HaflifmicTb захисту електродвигушв залежить в1д коеф1ц1ента вщображення реального теплового стану обмоток електродвигуна, значения якого визначаеться сл1дугочим чином :

Де Xi —

Zi — Хо—

с-

d— к—

кт — Хгпах.д / Ts

(19)

Рис. 4. Блок-схема алгоритму функцюнування двоблочних лопко-часових пристро1в захисту по струму з вим1ром часу.

•де Тшах.д— максимально допустиме значения температури обмотки двигуна, яке с реальним в даний момент часу, °С;

Т5 — воображения реального температурного значення обмотки двигуна в систем! захисту в даний момент часу, °С.

1з формули (19) слщуе, що оптимальна надшшсть захисту двигуна буде при кт = 1, що на даний час характерно лиш щеал1зованим системам, в реальних захисних пристроях кт ^ 1,1 якщо кт< 1, то виникають хибш спрацьовування захисту, а якщо кт > 1, то система захисту е ¡нерцшною. Отже, для пщвищення надшносп захисту електродвигушв, 'пристро'1 необхщно проектувати з урахуванням основно'{ умови, яку можна виразити слщуючим чином:

Акт = (| 1 - кт|) -> шт, (20)

де Дкт — модуль вщхилення значення коефвдента вщображення реального аваршного теплового стану обмотки електродвигуна вщ одинищ.

При дослщженнях законом1рностей змши значення коефщ1ента вщображення реального авар1йного теплового стану обмоток електродвигуна при р1зних режимах роботи слщуе, що:

1. В пристроях захисту, як1 безпосередньо контролюють температуру елемснт1в двигуна, модуль вщхилення значення коефпиента вщображення реального аваршного теплового стану елемент1в двигуна вщ одинищ зростае ¡з зростанням значень пост1Йно1 часу нагр!вання давача та швидкост! нагр1вання елемент!в, як1 контролюються, отже в пристроях захисту необхщно зменшувати модуль вщхилення значення коефщкнта вщображення реального аваршного теплового стану елемент1в двигуна вщ одинищ на основ1 використання функцюналышх залежностей параметр1в шерцшносп вим1рювально1 частини пристрою захисту та швидкосп нагр1вання елементо двигуна, як! контролюються;

2. В пристроях захисту, як! моделюють тепловий стан статорних обмоток двигуна на основ1 аналоги теплових процеав в обмотщ та спещальних елементах нагр1вання, модуль вщхилення значення коефвдента вщображення реального аварп'нюго теплового стану обмоток електродвигуна вщ одинищ зростае ¡з зростанням модуля р1знищ значень постшних часу нагр1вання та охолодження обмотки двигуна та моделюючоТ системи, отже в пристроях захисту необхщно зменшувати модуль вщхилення

значения коефвдснта вщображення реального аварийного теплового стану обмоток електродвигуна вщ одиниц!, максимально наближаючи значения постшних часу нагр1вання (та охолодження) моделюючо'1 системи до значень цих же параметр1в обмотки електродвигуна при р1зних режимах робота.

Для технолопчних об'ишв 31 значною ктьюспо електродвигушв (наприклад, тваринницью комплекси промислового типу, технолопчш об'екти переробки сировини) бшьш доцшьно розробляти багатоканальш автоматизоваш системи захисту електродвигушв, функщонуючих за гнучким алгоритмом захисту, в загальному вигляд1 який вщображаеться через багатовим1рну функцпо слщуючим чином:

у = F (Хк), (21)

де Хк — множима контрольованих параметров при робот1 електродвигуна,Xk е{ xik, X2k,..., Xnt},k е{1, 2,..., n};

k — номер контрольованого параметра.

Блок-схема алгоритму функцюнування представлена на рис. 5 i складаеться з восьми основних блоюв: операцшш блоки — 1, 2, 5, 7; пор1внювальш блоки — 3, 6, 8; блок уведення множини контрольованих значень k-го канала — 4.

Третш розды "Програма i методика експериментальних доотджень" дисертацшно'{ роботи присвячений питаниям проведения експериментальних дослщжень. Програмою дослщжень передбачалось виршення слщуючих задач:

1. Визначення основних техшчних характеристик АКЗП ТАЕ;

2. Визначення мшшалышх значень струму миттевого спрацьовування захисту електродвигуна (для класу ¡золяцп В) при температур! статорноТ обмотки Ti=105°C, Т2=115°С, Тз=125°С з метою техшчно! реал^заци пристр01в температурного лопко-часового захисту.

Для проведения дослщжень було розроблено та виготовлено:

1. Стенд для дослщження первинних вим1рювальних иеретворювач1в температури, призначений для визначення фончних характеристик первинних вим1рювальних перетворювач1в температури, а також для перев1рки i регулювання пристроУв температурного контролю та захисту електродвигу1Йв;

ПОЧАТОК )

Ук = У = Р(хк)

<У = (^так ш

7

Вщключити к-тий електр о дв игу н

Рис. 5. Блок-схема алгоритма функцюнування багатоканально1 автоматично! системи захисту електродвигушв.

2. Навантажувальний стенд для трифазного асинхронного електродвигу.на, призначений для дослщження теплових характеристик статорних обмоток двигуна при р1зних по величин! та частоп виникання навантажень на валу електродвигуна;

3. Трифазний стенд для випробування комутацшно-захисноУ апаратури, призначений для дослщжень та випробувань безконтактних запуско-захисних пристроУв трифазних електродвигушв, а також пристроУв захисту по температур! i струму;

4. Чотириканальна шформацшно-вим1рювальна система (IBC) температурних значень, призначена для дослщжень часо-струмових залежностей нагр1вання статорних обмоток електродвигуна та -для випробування пристроУв захисту електричних машин. При провсдешп дослщжень IBC е складовою частиною вищеназваних стенд!в.

При виконанн! першоУ задач! програми експериментальних дослщжень застосовувались навантажувальний стенд для трифазного асинхронного електродвигуна та трифазний стенд для випробування комутацшно-захисноУ апаратури. Bei термопари та терморезистивш елементи завчасно були проградуйоваш до температурного значения +180°С на стенд! для дослщження первинних вим!рювальних перетворювач!в температури.

Експериментальш дослщження охоплювали групу автоматичних комутац!йно-захисних пристроУв трифазних асинхронних електродвигун!в трьох величин: перша — до 6 кВт, друга — до -12 кВт, третя — до 40 кВт. Проводилось дв1 сери досл!джень:

- в перш!й вивчались часо-струмов! характеристики пропонуемих конструкщй АКЗП ТАЕ в nopiBHeHHi з сершними, захисними блоками яких е пристроУ теплового та температурного захисту (РТЛ, УВТЗ);

- в друпй cepii' вивчались температурно-струмов! характристики (визначення при заданому значенш струму температурного значения статорноУ обмотки електродвигуна, при якому спрацьовуе пристрш захисту) пропонуемих конструкщй АКЗП ТАЕ в nopiBHeHHi з сершними, захисними блоками яких е пристроУ теплового та температурного захисту (РТЛ, УВТЗ).

При виконанн! другоУ задач! програми експериментальних дошджень застосовувався навантажувальний стенд для трифазного асинхронного електродвигуна.

Експериментальш досшдження охоплювали групу електродвигушв потужшспо вщ 1.1 до 5.5 кВт. Кожний пристрш випробувався при постшному навантаженш (номшальному \ вище ном1нального).

У четвертому роздин "Техшчиа реал»защя АКЗП ТАЕ 1 результата експериментальних дослшжеиь" запропоновано ряд принципових схем комутацшних та захисних блоюв АКЗП ТАЕ, як1 побудовано на основ! математичних моделей та функщональних схем, викладених в роздш 2. 3 метою шдвищення надшноспч1 швидкодн функщонування пристро!в, лопчш елементи функщональних схем реал1зуються на основ! оптоелектронних прилад!в та штегралышх микросхем. Застосування в принципових схемах оптрошв забезпечуе надшну гальвашчну розв'язку м1ж входом та виходом, простоту схемного вир1шення, пщвищену завадостшюсть, надшшсть, а також дозволяе безпосередньо узгоджувати силову та вим1рювальну частини пристрою з ¡нтегральними мшросхемами.

Внзначено загальний алгоритм побудови принципових схем АКЗП ТАЕ, який можна виразити опдуючим чином:

вибхр математично! модел1 пристрою побудова функцюнально! схеми пристрою -» внб1р техшчно! реал!заци елементтв функционально! схеми пристрою побудова

принципово! схеми пристрою.

На основ 1 розроблених комутацшних та захисних блоюв АКЗП ТАЕ Укра'шською ф1рмою "ТЕМП" (м.Кшв) виготовляеться система пристро!в "ТЕМП-ЗЗП" (ЗЗП- запуско-захисний пристрш): 1.3 безконтактними контакторами:

- перша величина: до 6 кВт (рис. б.а);

- друга величина: до 12 кВт (рис. 6.6);

- третя величина: до 40 кВт (рис. 7). 2. 3 комбшованими контакторами:

- перша величина: до 6 кВт (рис.8);

- друга величина: до 12 кВт (рис. 9). Освоюеться виготовлення десятиканально! автоматично!

системи температурного захисгу електродвигушв.

На даний час ф1рма "ТЕМП" виготовляе дванадцять модиф1кацш АКЗП ТАЕ "ТЕМП-ЗЗП", застосування яких дозволяе бтьш як в три рази пщвищити надшшсть комутацшно-захисно! апаратури та трифазних асинхронних електродвигушв в сшьськогосподарському виробництв!.

Пристро! "Темп-33-П" здшснюють захист електродвигушв вщ коротких замикань, перевантажень, асиметричних режим1в роботи (зокрема вщ обриву фази) та перегр!ву обмоток статора.

■

Рис.6.

Техшчна реагнзацш безконтактних АКЗП ТАЕ "ТЕМП-ЗЗП" а - першо'1 величини;

б - друго! величини.

Рис.7. Техшчна реал1защя безконтактних АКЗП ТАЕ "ТЕМП-ЗЗП" третьей величини.

«

Рис.8. Техшчна реашзащя комбшованих АКЗП ТАЕ "ТЕМП-ЗЗП" nepnxoï величини.

Рис.9. TexHiHHa реашзашя комбшованих АКЗП ТАЕ "ТЕМП-ЗЗП" другой величини.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ТА ВИСНОВКИ РОБОТИ

Проведен! теоретичш та експериментальш дослщження роботи автоматичних комутацшо-захисних блоюв пристроУв захисту трифазних асинхронних електродвигушв (АКЗП ТАЕ) в умовах с.-r. внробництва дозволяють зробити наступи! ochobhI висновкм:

1. Техшчна реал!защя сучасних комутацшно-захисних пристроУв трифазних асинхронних електродвигушв не повшстю враховуе специф!чш умови с.-г. виробництва, що приводить до значних матер1альних втрат.

2. Алгоритми функцюнування сучасноУ комутацшно-захисноУ апаратури електродвигушв у с.-r. виробництв! не забезпечують надшного i'x захисту вщ аваршних режимов роботи, що сприяе достроковому виходу з ладу двигушв, а також пристроУв комутацШноУ апаратури.

3. Обгрунтована та побудована загальна структурна причино-наслщкова схема виникнення аварШних режим1В роботи електродвигушв, з урахуванням якоУ виникае можливють проектування бшьш досконалих комутацшно-захисних пристроУв.

4. Розроблена класифкащя алгоритм1в захисту та пристроУв захисту електродвигушв дозволяе визначити ochobhI оптималып напрямки удосконалення захисних блоюв АКЗП ТАЕ.

5. Теоретично розроблеш алгоритми функцюнування, математичш модели, функцюнальш i принципов! схеми, а також експериментально досгадженн! техшчно реализован! конструкц!йн! виршення безконтактних та комб!нованих АКЗП ТАЕ дозволяють бщьш як в три рази пщвищити експлуатац!йну надшшсть комутацшно-захисних пристроУв i трифазних асинхронних електродвигушв в с.-г. виробництвк

6. Запропоноваш шляхи пщвищення ефективносп теплов!ддач1 контура системи повггряного охолодження АКЗП ТАЕ дозволяють створювати бщьш досконал! пристроУ теплового захисту електродвигушв.

7. Теоретично обгрунтовано рац!ональн!сть застосування апарату математичноУ лопки та теори алгоритм!в при проектувант АКЗП ТАЕ, що при сучасному розвитку

нашвпровщниковоУ та ¡нтегралыюУ техшки е найбшьш перспективно.

8. Запропоновано метод визначення економ1чно1 ефективност1 комутацшно-захисних пристроТв електродвигушв.

9. Тех1пчна реал1защя розробленого обладнання для налагоджування та виробовування безконтактних i комбшованих АКЗП ТАЕ дозволяе прискорено здшсшовати перев1рку та пщготовку до роботи комутацшно-захисноУ апаратури.

10. В результат дослщжень рекомендуеться:

- проектно-конструкторським оргашзацшм i науково-дослщним закладам при розробщ комутацпшо-захисних пристроУв асинхронних електродвигушв використовувати загальш модел1 та алгоритмй функцюнування АКЗП ТАЕ, як1 вщображеш в дашй poöoTi;

- приладобудшним заводам та науково-виробничим ф1рмам використати розроблеш математичш модел!, функцюнальш та принципов! схеми комутацшних i захисних блоков АКЗП ТАЕ при виготовленш комутацшно-захисноУ апаратури для трифазних асинхронних електродвигушв.

По тем1 дисертаци опублшовано 42 роботи, основними з

яких е:

1. Березов Г.Н., Ивановский A.B. Автоматическая многоканальная система температурной защиты // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1994. —№7. —С.15.

2. Березов Г.Н., Ивановский A.B., Жуковский A.B. Защитное устройство электродвигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1994. — № 1. — С.23.

3. Ивановский A.B. Автомат защиты аппаратуры связи от перегрузок // Техника и вооружение. — 1991. — № 7. — с. 33.

4. Ивановский A.B. Классификация алгоритмов и устройств защиты асинхронных электродвигателей. — Винница: 1996 — 18 с. — Деп. в ГНТБ Украины 16.04.96 № 923 — Ук. 96.

5. Ивановский A.B. Нетрадиционные первичные преобразователи температуры // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1994. — № 5—6. — С. 17.

6. Ивановский A.B. Отключение электродвигателя в аварийном режиме // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1995. — № 11. — С. 27.

7. Ивановский A.B. Переключающее устройство защиты // Техника и вооружение. — 1991. — № 5. — С. 34.

8. Ивановский A.B. Построение теоретических формул в теории нагрева идеального однородного твердого тела. — Винница: 1996 — 42 с. — Деп. в ГНТБ Украины 16.04.96 №922 —Ук. 96.

9. Ивановский A.B. Трехфазный испытательный стенд // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1996. — №6. — С. 22.

10. Ивановский A.B. Устройство сигнализации неполнофазных режимов в электроустановках Н Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1992. — № 4. — С. 30-31.

11. Гвановський О.В., Луков Г.В. Безконтактш запуско-захисш пристро! "ТЕМП-ПЗУ" // Техшка АПК. — 1995. — № 4. — С. 15.

Аннотация

Ивановский А.В. "Разработка моделей и алгоритмов акционирования комутацнонно-защитных устройств электродвигателей ;льскохозяственном производстве".

Рукопись диссертации на соискание ученой степени кандидата нических наук по специальности:05.20.02—"Применение ктротехнологий в сельскохозяйственном производстве"; 05.09.03 — хектротехнические комплексы и системы".

Национальный аграрный университет, Киев, 1997.

Исследования проведены с целью повышения надежности жционирования коммутационно-защитных устройств и как следствие го — трехфазных асинхронных электродвигателей в ьскохозяйственном производстве. Обоснованы общие алгоритмы [теза и функционирования коммутационно-защитных устройств ктродвигателей, а также разработано ряд математических моделей, жциональных и принципиальных схем автоматических коммутационно-;итных устройств трехфазных асинхронных электродвигателей (АКЗУ Э).

Применение разработанных АКЗУ ТАЭ позволяет повысить (ежность комутационно-защитной аппаратуры и электродвигателей в ьском хозяйстве более, чем в три раза.

Annotation

Ivanovsky A.V. "The Development of the electrical motors switching-tectional devices functioning in agriculture".

The theses is submitted for a degree of "Candidate of Technical ;nces", specializations: 05.20.02 "The application of electrical technologies in ¡cultural production"; 05.09.03 "Electrothechnical complexes and systems",

National Agrarian University, Kiev, 1997.

The aim of the researches is the increasing of switching - protectional ices functioning reliability and as a result - reliability of three-phase nchronic electrical motors in agricultural production. Common synthesis orithms and switching protectional devices functioning are motivated and es of mathematical models, functional and principled schemes of the three-ise asynçhronic electrical motors switching protectional automatic devices are eloped.

The application of these devices makes it possible to increase three times reliability of switching protectional equipment and electrical motors in iculture.

KmoHQBi слова: автоматичний комутацшно-захисний пристрш, [фазний асинхронний електродвигун, математична модель, алгоритм, ма, система.

УВК НАУ зак.267 тир. 100 1997