Обоснование параметров привода вибротранспортных машин
На правах рукописи
Косенко Евгений Александрович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИВОДА ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор Афанасьев Анатолий Ильич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент Дмитриев Владимир Трофимович, профессор кафедры эксплуатации горного оборудования ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
кандидат технических наук, доцент Таугер Виталий Михайлович, профессор кафедры мехатроники ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»
Ведущая организация – Институт горного дела УрО РАН
Защита состоится 25 декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу:
620144, г. Екатеринбург,ГСП, ул. Куйбышева, 30
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Автореферат разослан 23 ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор Хазин М. Л.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Процессы вибротранспортирования и разделения сыпучих материалов по крупности являются одними из наиболее масштабных и относительно энергоемких операций в горнодобывающей, строительной, химической и других отраслях промышленности РФ. Проведение этих операций сопровождается значительными затратами энергии. Удельная энергоемкость этих процессов доходит до 1 кВтч/т. Учитывая масштабы транспортирования, общие затраты энергии в РФ достигают значительных размеров.
Рост экономических показателей работы предприятий, использующих вибротранспортные процессы, возможен при совершенствовании конструкции вибротранспортных машин и повышении эффективности рабочего процесса. По конструктивному исполнению вибротранспортные машины (ВТМ) имеют относительно большую номенклатуру, но все без исключения содержат основной узел – вибровозбудитель, работа которого определяет эффективность рабочего процесса. Тип вибровозбудителя обусловливает конструктивное исполнений ВТМ. В горной и других отраслях промышленности применяются в основном эксцентриковые (кривошипно-шатунные), инерционные, пневматические, гидравлические и электромагнитные вибровозбудители. В меньшей мере в вибротранспортных машинах используются, как правило, линейные двигатели, которые эффективно работают в зоне резонанса на относительно высоких, кратных 50 Гц, частотах с амплитудой 1…2 мм.
Альтернативой существующим электромагнитным вибровозбудителям служат линейные управляемые электромагнитные двигатели постоянного тока. Однако рабочий процесс этих вибровозбудителей изучен недостаточно, что не позволяет определять их рациональные параметры. Изучение рабочих процессов электромагнитных вибровозбудителей постоянного тока, определение их рациональных параметров, обеспечивающих повышение эффективности работы вибротранспортных горных машин – актуальная научная задача.
Объект исследования – низкочастотные вибротранспортные горные машины с линейным электромагнитным вибровозбудителем – линейным двигателем постоянного тока.
Предмет исследования – установившиеся и переходные рабочие процессы вибровозбудителя – линейного управляемого двигателя постоянного тока в низкочастотной вибротранспортной машине.
Цель работы – повышение эффективности работы низкочастотных вибротранспортных горных машин с электромагнитным вибровозбудителем – линейным управляемым двигателем постоянного тока за счет совершенствования его конструкции на базе исследований, позволяющих определить его рациональные параметры.
Идея работы заключается в повышении эффективности рабочего процесса низкочастотной вибротранспортной машины за счет усовершенствования конструкции вибровозбудителя – линейного электромагнитного двигателя постоянного тока и выбора рациональных параметров режима его работы.
Для достижения данной цели были поставлены задачи:
1. Обосновать и сформулировать критерии эффективности работы линейных электромагнитных вибровозбудителей низкочастотных, в том числе резонансных вибротранспортных машин.
2. Определить наиболее эффективный тип линейного управляемого вибровозбудителя для относительно низкочастотных вибротранспортных машин.
3. Определить рациональное время работы линейного двигателя за один цикл колебаний, положение рабочего органа в момент включения и выключения двигателя, а также токовые нагрузки, обеспечивающие приемлемую работоспособность вибровозбудителя.
4. Обосновать эквивалентную схему для расчета установившейся избыточной температуры и методику ускоренных тепловых испытаний.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Степень совершенства конструкции линейных вибровозбудителей и эффективность работы ВТМ должны определяться на основе их тяговых и энергетических характеристик с учетом режимных параметров системы управления.
2. Одним из эффективных вибровозбудителей для низкочастотных вибротранспортных машин, работающих в «полубыстроходном» и «быстроходном» режимах, является линейный электромагнитный двигатель постоянного тока с сенсорным управлением, связанным с положением рабочего органа (РО).
3. Рациональный путь повышения энергетической эффективности рабочего процесса резонансных грохотов и снижения тепловой нагруженности вибровозбудителей – уменьшение непроизводительных потерь энергии, обусловленных нерациональным включением и выключением линейного двигателя.
Научная новизна работы заключается: в обосновании критериев оценки степени конструктивного совершенства линейного электромагнитного вибровозбудителя, разработке методики определения рациональных режимных и конструктивных параметров вибровозбудителей, их связи с параметрами рабочего процесса низкочастотных ВТМ, амплитудой колебаний рабочего органа, производительностью и удельными энергозатратами.
Практическая значимость диссертации состоит в разработке конструкции линейных электромагнитных вибровозбудителей постоянного тока, а также источника питания и системы управления им для низкочастотных вибротранспортных машин, обеспечивающих их приемлемую производительность и энергоемкость.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректным использованием методов математического и физического моделирования, положений теории вероятности и математической статистики, апробированными методами экспериментальных исследований. Удовлетворительная сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований (относительное расхождение не превышает 15 %) подтверждает их достоверность.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при проектировании вибрационной машины для грохочения мелких классов хвостов обогащения руд тяжелых металлов и в ударной установке для забивания труб в связный грунт с целью его укрепления.
Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались: на Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений», Екатеринбург, 2011 г.; Международной научно-технической конференции «Транспорт XXI века: Исследование, инновации, инфраструктура», г. Екатеринбург, 17-19 ноября 2011 г.; «Неделе горняка», г. Москва, 23-28 января 2012 г.; «Уральской горнопромышленной декаде», г. Екатеринбург, 18-20 апреля 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах международных конференций, в том числе 7 работ в журналах из списка ВАК.
Вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоит в определении и формулировке направлений исследований, постановке задач, разработке методик исследований, организации и непосредственном участии в выполнении исследований и испытаний, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций, написании текстовой части публикаций и в публичных докладах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 117 наименований, содержит 122 страницы текста, 44 рисунка, 15 таблиц и 1 приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе выполнен анализ конструкции вибровозбудителей грохотов, питателей, бункеров, вибровыпусков и транспортеров.
Как в отечественных, так и зарубежных дорезонансных, зарезонансных и резонансных ВТМ используются вибровозбудители кинематического, силового или смешанного типов возбуждения колебаний. По конструктивному исполнению (количеству составляющих вибровозбудитель систем) вибровозбудители можно разделить на два класса:
первый класс включает в себя вибровозбудители, которые состоят из двигателя и трансмиссии, которая превращает вращательное движение в возвратно-поступательное, эллиптическое или круговое периодическое движение рабочего органа;
второй класс включает вибровозбудители, состоящие из двигателя, подвижная часть которого непосредственно или через упругий элемент соединяется с РО и сообщает ему возвратно-поступательное периодическое движение.
Этот класс представлен тремя типами вибровозбудителей: инерционными мотор-вибраторами; электромагнитными переменного тока и электромагнитными постоянного тока. В горной промышленности нашли применение резонансные питатели с электромагнитными линейными двигателями, работающими с частотой, кратной частоте промышленной сети (50 Гц), и амплитудой от 1,2 до 2,2 мм. Основным недостатком рассмотренных электромагнитных резонансных вибровозбудителей является относительно небольшой ход якоря.
Создание и совершенствование новых вибротраспортных машин неразрывно связано с теорией их расчета, в разработку которой основной вклад внесли: В. А. Бауман, И. И. Блехман, И. И. Быховский, Л. А. Вайсберг, И. Ф. Гончаревич, Г. Ю. Джанелидзе, Б. И. Левенсон, G. Lindner, В. А. Мальцев, В. А. Олевский, В. Н. Потураев, А. О. Спиваковский, Г. Д. Терсков, А. Г. Червоненко, А. В. Юдин и другие известные ученые. Основной задачей их исследований было определение средней скорости (V) вибротранспортирования, так как она, при прочих равных условиях, определяет производительность и, соответственно, эффективность ВТМ. В табл. 1 приведены технические характеристики отечественных и зарубежных вибротранспортных машин.
Таблица 1
Характеристики ВТМ
| Тип ВТМ | Производительность Qmax, т/ч | Мощность двигателя P, кВт | Удельный расход энергии P/ Qmax, кВтч/т | Угол наклона рабочего органа, град | Масса ВТМ m, т | Тип вибровозбудителя |
| 181-ПТ-2,51,5 | 600 | 8 | 0,013 | 15-20 | 5,47 | Электромагнитный |
| ПЭВ-19А-2,51,9 | 1500 | 8 | 0,0053 | 15-20 | 6,79 | –//– |
| ГПТ-2-33 | 3500 | 80 | 0,023 | 10 | 40,2 | Самобалансный |
| ГВЛ-500-1,50,6 | 5 | 1,5 | 0,3 | 0-10 | 0,2 | Инерционный |
| ГИС-42-3,71,5 | 15-200 | 11 | 0,73-0,055 | 15-25 | 2,8 | Самобалансный |
| ГИС-51-4,651,75 | 20-220 | 15 | 0,75-0,068 | 15-25 | 2,8 | –//– |
| CDR -82 | 210 | 15 | 0,071 | 5 | 9,6 | Эксцентриковый |
| CDR -85 | 300 | 22 | 0,073 | 5 | 10,3 | –//– |
| ГИЛ-32 | 100 | 4 | 0,04 | 10-15 | 1,74 | Инерционный |
| ГИЛ-52 | 150 | 10 | 0,066 | 10-25 | 3,7 | –//– |
| ГИТ-42 | 400 | 7 | 0,0175 | 25 | 4,7 | –//– |
| ГИТ-51 | 600 | 10 | 0,0166 | 25 | 5,9 | –//– |
Из табл. 1 видно, что ВТМ с электромагнитными вибровозбудителями переменного тока имеют существенно меньшие удельные энергозатраты по сравнению с другими машинами.
Развитие теории расчета электромагнитных механизмов связано с именами Р. А. Агаронянца, П. М. Алабужева, А. Я. Буйлова, Л. Б. Гансбурга, А. В. Гордона, Н. Е. Лысова, М. А. Любчика, А. И. Москвитина, Ю. С. Русина, Н. П. Ряшенцева, А. К. Тер-Акопова и др. ученых. В этих же работах приведены методики расчета параметров и установившейся температуры обмотки электромагнитных аппаратов, которая является наименее надежным элементом этих устройств. Однако использовать их затруднительно, так как эквивалентная расчетная схема электромагнитного двигателя существенно отличается от рассмотренных.
Анализ параметров известных ВТМ с электромагнитными вибровозбудителями показал, что на эффективность их работы оказывает влияние характер рабочего процесса, который определяется типом линейного двигателя и его параметрами.
Во второй главе выполнен анализ рабочего процесса электромагнитных линейных вибровозбудителей. В работах И. И. Блехмана, И. Ф. Гончаревича, А. О. Спиваковского и других известных ученых показано, что работа ВТМ на относительно низких частотах 4…6 Гц и амплитудах 20…30 мм достаточно часто оказывается более эффективна, чем работа на высоких частотах 25…50 Гц и амплитудах 1...4 мм. Современные вибровозбудители – линейные электромагнитные двигатели работают, как правило, на переменном токе и частотах 25 Гц и более. Тяговая характеристика является основной для линейных двигателей.
В табл. 2 приведены значения тягового усилия якоря линейного двигателя с постоянными магнитами.
Таблица 2
Тяговые усилия линейного двигателя с постоянными магнитами
| Рабочий зазор, мм | Экспериментальные значения Fтэ, Н | Расчетные значения Fт, Н | ||
| I = 20 А | I = 15 А | I = 20 А | I = 15 А | |
| 6 | 224 | 172 | 216 | 162 |
| 11 | 196 | 152 | 197 | 150 |
| 16 | 176 | 136 | 179 | 135 |
| 21 | 132 | 105 | 160 | 120 |
| 26 | 114 | 91 | 142 | 108 |
Расчетные значения определялись по уравнению Максвелла, при подстановке в него постоянного значения величины магнитной индукции (Bм =1,2 Тл) магнитов, выполненных из ниодим-железо-бора.
Из табл. 2 видно, что использование линейного электромагнитного двигателя с постоянными магнитами в качестве вибровозбудителя низкочастотных ВТМ затруднительно, так как развиваемые ими усилия недостаточны для пуска машины.
Рабочие процессы магнитоиндукционного и электромагнитного линейных вибровозбудителей имеют существенные отличия. Так как магнитоиндукционные двигатели относятся к электродинамическим машинам, в которых практически невозможно замерить тяговое усилие, то оценку их тяговых свойств целесообразно производить по работе движущего импульса.
На рис. 1 приведена одна из опытно-промышленных резонансных низкочастотных машин.
Вибротранспортная машина состоит из подвижной рамы 1, к которой жестко закреплены упругие опоры 2 – листовые рессоры. Верхняя часть рессор жестко закреплена на нижней части корпуса 3. Корпуса (статоры) двух вибровозбудителей 4 жестко закреплены на подвижной раме 1 и установлены вертикально. Якоря 5 этих вибровозбудителей опираются в нижнюю часть короба.
3 5 4 1 2
Рис. 1. Резонансная низкочастотная вибротранспортная машина
с магнитоиндукционными линейными двигателями
Для описания процесса движения РО, при воздействии на него импульсной движущей силы, необходимо знать коэффициент сопротивления его движению (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость приведенного коэффициента сопротивления движению
рабочего органа от относительной нагрузки
Уравнение регрессии при 1=0,99 имеет вид
fс = 0,102(mгр/mро)2 – 0,18(mгр/mро) + 0,23. (1)
Движение рабочего органа с якорем рассматривается на трех этапах. На первом этапе движущее усилие возрастает до максимума, на втором этапе уменьшается до нуля и на третьем этапе РО движется по инерции. Дифференциальные уравнения движения рабочего органа с якорем на соответствующих этапах имеют вид
; (2)
; (3)
, (4)
где Fо – максимальное движущее усилие, Н; tн – время нарастания движущего усилия до максимума, с; tи – время импульса, с; c – приведенная жесткость динамической системы – суммарная жесткость опор, Н/м; – угол наклона упругих опор к горизонту, град.; m = mро+mгр – приведенная масса рабочего органа с якорем и грузом, кг; mро – приведенная масса рабочего органа с якорем, кг.
В конце третьего этапа перемещение рабочего органа достигает xmax:
. (5)
Постоянные интегрирования С1 и С2 определяются по уравнениям:
; 
, (6)
где 
– перемещение и 
– скорость РО в конце второго этапа.
Таким образом, зная величину импульса силы, можно определить максимальное отклонение РО. Затем, используя известные методики, можно рассчитать скорость движения горной массы и производительность ВТМ.
На рис. 3 приведены статические тяговые характеристики линейных электромагнитных двигателей. Магнитодвижущая сила во всех опытах была постоянной и равной 5400 Авиток, такая же, как и у двигателя с постоянными магнитами.
Рис. 3. Статические тяговые характеристики электромагнитных линейных двигателей:
ряд 1 – dя = 100 мм, mоб = 4 кг; ряд 2 – dя =70 мм, mоб = 5,4 кг; ряд 3 – dя = 50 мм,
mоб = 3 кг; ряд 4 – dя = 50 мм, mоб = 6 кг
Уравнения регрессии для соответствующих двигателей имеют вид:
Fтэ1 = 0,383 – 9,592 – 93,7 +2860; (7)
Fтэ2 = 0,04283 + 0,3382 – 54,8 +1008; (8)
Fтэ3 = 0,0183 – 0,4332 – 3,32 +268; (9)
Fтэ4 = -0,0283 + 1,472 – 26,6 +252. (10)
Уравнения (7)…(10) адекватны при изменении рабочего зазора от 25 до 5 мм. Корреляционные отношения этих уравнений соответственно: 1 = 0,94; 2 = 0,95; 3 = 0,97; 4 = 0,94.
Из рис. 3 и уравнений (7)…(10) видно, что при постоянной магнитодвижущей силе величина тягового усилия зависит не только от размеров якоря, но и от массы, а также формы обмотки, которая определяется её конструктивными параметрами. При равной намагничивающей силе и практически одинаковой массе разные по форме обмотки имеют различное тяговое усилие. Таким образом, для оценки степени конструктивного совершенства электромагнитных вибровозбудителей – линейных электромагнитных двигателей целесообразно использовать не абсолютные, а относительные величины:
1. Удельное тяговое усилие (Fту, Н/см2), равное отношению тягового усилия (Fтэ) к площади поперечного сечения якоря (
):
Fту = 4Fтэ/(
). (11)
2. Отношение удельного тягового усилия (Fтy, Н/(кгсм2)) к массе обмотки (mо, кг):
Fmy = Fту/mо. (12)
3. Отношение максимальной избыточной температуры(tо) обмотки к её массе (tо/mо, К/кг) при равной тепловой мощности:
t = tо/mо. (13)
Первые два показателя характеризуют совершенство конструктивного исполнения линейного двигателя. Третий показатель характеризует тепловую работоспособность линейного двигателя.
Однако эти удельные характеристики не в полной мере характеризуют степень соответствия данного вибровозбудителя конкретной вибротранспортной машине. Энергетическая эффективность вибровозбудителя и, соответственно, ВТМ обычно оцениваются средними затратами энергии за один цикл колебаний. Величина удельной работы характеризует энергетическую эффективность использования линейного двигателя в данной ВТМ и, при прочих равных условиях, энергозатраты на транспортирование груза.
Скорость движения горной массы, следовательно, производительность ВТМ, являясь важнейшим технологическим показателем, нелинейно зависит от частоты колебаний. Поэтому адекватно сравнивать однотипные, но разные по частоте вибровозбудители и, соответственно, оценивать их эффективность можно по перемещению груза за один цикл (Lо, см ), равного отношению скорости его движения (V, см/с) к частоте колебаний (f, Гц):
L0 = V/f (14)
Перемещение груза за один цикл определяет не только производительность ВТМ, но и степень соответствия режимных параметров двигателя рабочему процессу вибротранспортирования.
В табл. 3 приведены результаты эксперимента электромагнитных вибровозбудителей.
Таблица 3
Удельные тяговые характеристики и относительные конструктивные параметры
вибровозбудителей – линейных двигателей
| Рабочий зазор, мм | Fту, Н/см2 | |||||||
| WI=5400 | WI=4100 | WI=5400 | WI=4100 | WI=5400 | WI=4100 | WI=5400 | WI=4100 | |
| 5 | 27,5 | 15 | 19 | 10,6 | 13,5 | 12,8 | 8,4 | 5,5 |
| 10 | 18,8 | 9,4 | 13 | 7 | 11,6 | 7,7 | 5,5 | 3,6 |
| 15 | 7,5 | 3,5 | 9,1 | 5,5 | 10,1 | 7,5 | 5,0 | 2,9 |
| 21 | 3 | 1,25 | 8,3 | 5,5 | 9,9 | 6,6 | 4,7 | 3,3 |
| Число витков | 270 | 290 | 468 | 936 | ||||
| Dк/dя | 1,65* | 2,0 | 1,95 | 1,95 | ||||
| 2Hк /dя | 1,2 | 2,18 | 3,3 | 6,5 | ||||
| Hк / Aк | 1,88 | 2,13 | 3,7 | 7,4 | ||||
| Aк/ dя | 0,32 | 0,5 | 0,44 | 0,44 | ||||
* Курсивом выделены рациональные параметры обмотки
Данные табл. 3 показывают, что у второй обмотки все параметры лежат в рациональном диапазоне. Однако первая обмотка имеет существенно большее (примерно в 1,5 раза) удельное тяговое усилие. Это свидетельствует о том, что двигатель с этой обмоткой по удельному тяговому усилию более эффективен, чем остальные, хотя два его относительных параметра находятся вне рациональной области.
Исходя из вышеизложенного, для обеспечения рациональной эффективности работы ВТМ необходимо выполнить условия:
Q = Qр; Kэ = >min. (15)
Оценку же степени конструктивного совершенства и, соответственно, эффективности электромагнитных линейных вибровозбудителей для данной ВТМ следует производить по:
Рт <= [Рт]; E/mо => max; Lо=> max; Fту => max; Fmy =>max; t <= [t ]. (16)
Вибротранспортные машины с электромагнитным вибровозбудителем работают при ПВ 100 %, т. е. в относительно тяжелом тепловом режиме. При нерациональном выборе параметров обмотки, магнитной системы статора, величины тока и параметров корпуса возможен перегрев обмотки и ее отказ.
На рис. 4 приведена эквивалентная расчетная схема распространения теплового потока в электромагнитном линейном двигателе. Она отличается от известных тем, что практически весь теплообмен с окружающей средой происходит по боковой и части торцевых поверхностей корпуса электромагнитного линейного двигателя.
Для этой схемы уравнения теплового равновесия имеют вид
(17)
где о – разность температур между наиболее нагретой частью обмотки и окружающей средой, К; тепловые сопротивления (К/Вт): R* – обмотки, при передаче тепла через внешнюю стенку; R1 – электроизоляционной прокладки; R2 – корпуса двигателя; Rкв – корпуса-воздуха; R**– обмотки, при передаче его через внутреннюю стенку в якорь; R3 – изоляционной прокладки; R4 – воздушного зазора; Rя – якоря; R5 – воздушно-масляного зазора; Rпв – полюсной части корпуса-воздуха; R6 – полюса корпуса; R7 – воздушного зазора и демпфера; Rкпв–подшипниковой части корпуса-воздуха; Рк – мощность тепловых потерь в обмотке, Вт; n и n1 – коэффициенты распределения теплового потока; Rяв – якоря-воздуха.
Рис. 4. Эквивалентная тепловая модель линейного электромагнитного
вибровозбудителя
Наибольшее тепловое сопротивление имеют обмотка, изоляционные прокладки и воздушные зазоры. Так как коэффициент соотношения тепловых потерь в якоре и обмотке (отношение потерь в якоре потерям в обмотке приближается к нулю) => 0, то, используя выражение (17), можно получить уравнение для определения коэффициентов n и n1 распределения теплового потока. Обозначим: R*+R1+R2+Rкв = a; R**+R3+R4+Rя = b; R5+R6+Rпв= с; Rяв= d и после преобразований получим:
о= Eт f(R*+R1+R2+Rкв)(bc+bd+dc)(ac+bc+ad+bd+cd)-1. (18)
Эта температура должна быть меньше допустимой, которая определяется теплостойкостью изоляции проводника обмотки.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований линейных вибровозбудителей различного типа, установленных на опытно-промышленную вибротранспортную машину, которая по своим конструктивным и технологическим характеристикам соответствует параметрам промышленных грохотов легкого типа – ГИЛ-11…ГИЛ-14, ГСП-12 и т. п.
Первая серия опытов проводилась с магнитоиндукционными линейными двигателями. Средние по 3…5 опытам значения результатов приведены в табл. 4.
В результате статистической обработки результатов эксперимента получена зависимость движущего импульса от энергии заряда конденсаторов:
Ftи = 35,6exp[-315 (110+7,5Ек)-1]. (19)
Регрессионная зависимость тепловой мощности от энергии заряда конденсаторов имеет вид
Рт =29(0,1Eк -1). (20)
Таблица 4
Результаты эксперимента магнитоиндукционного вибровозбудителя ВТМ
(tи = 60 мс, mро = 130 кг, dя = 50 мм, mо = 2 кг)
| Наименование показателей | Числовая величина показателей | ||||||
| Энергия конденсатора Ек, Дж | 16 | 21 | 29 | 44 | 56 | 70 | 105 |
| Максимальный ток в обмотке Jк, А | 8,1 | 9,7 | 12,1 | 16,2 | 19,2 | 22,6 | 27,0 |
| Импульс движущей силы Ftи, Нс | 8,4 | 10,9 | 14,2 | 16,6 | 19,4 | 21,4 | 25 |
| Амплитуда А1, мм | 7,7 | 8,1 | 8,8 | 9,3 | 10,0 | 10,7 | 12 |
| Работа движущего импульса, Дж | 0,35 | 0,6 | 1,0 | 1,37 | 1,87 | 2,3 | 3,4 |
| Расчетное значение импульса движущей силы Ftи, Нс | 9 | 10,9 | 13,7 | 17,3 | 19,6 | 21,6 | 25 |
| Тепловые потери в обмотке Рт, Вт | 24 | 35 | 52 | 95 | 137 | 185 | 270 |
| Скорость движения груза V, см/с | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 -2,2 | 4-4,5 | 7-7,4 |
| Мощность на входе в преобразователь Рвх, Вт | 68 | 88 | 118 | 182 | 237 | 296 | 445 |
| Энергоемкость транспортирования, Дж/кг | - | - | - | - | 540-590 | 330-370 | 300-320 |
| Перемещение груза за один цикл Lо, см | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,47-0,51 | 1,93-1,05 | 1,63-1,74 |
Уравнения (19) и (20) справедливы при 110 > Eк >10 Дж.
Корреляционные отношения уравнений: 1=0,889 (19); 2 =0,697 (20).
Уравнение (19), а также данные табл. 4 показывают, что данный магнитоиндукционный двигатель даже при максимальной энергии заряда конденсаторов имеет недостаточную величину движущего импульса и, соответственно, амплитуду А1, а также недопустимо большую тепловую мощность. Удельная работа магнитоиндукционного двигателя существенно меньше, чем у электромагнитного. Это свидетельствует о неэффективности использования магнитоиндукционных двигателей в качестве вибровозбудителей низкочастотных вибротранспортных машин.
В табл. 5 приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных вибровозбудителей.
Таблица 5
Средние значения удельной силы тяги и удельной работы линейных
вибровозбудителей
| Рабочий зазор, мм | mо = 4 кг | mо = 5,25 кг | mо = 3 кг | mо = 6 кг | ||||
| F1my, Н/(кгсм2) | E1y, Дж/кг | F2my, Н/(кгсм2) | E1y, Дж/кг | F3my, Н/(кгсм2) | E1y, Дж/кг | F4my, Н/(кгсм2) | E1y, Дж/кг | |
| 5 | 7 | 0,05 | 3,5 | 0,05 | 4 | 0,05 | 2 | 0,05 |
| 10 | 4,2 | 2,2 | 2,3 | 0,573 | 3,5 | 0,37 | 1,8 | 0,185 |
| 15 | 1,9 | 3,4 | 1,7 | 1 | 3 | 0,73 | 1,6 | 0,365 |
| 21 | 0,8 | 3,8 | 1,5 | 1,03 | 3 | 1,1 | 1,5 | 0,45 |
В результате статистической обработки результатов эксперимента получены следующие уравнения регрессии:
Ряд 1 F1my = 0,017 2 – 0,84 +10,7 (21)
Ряд 2 F2my = 0,0093 2 – 0,36 +4,98 (22)
Ряд 3 F3my = 0,0049 2 – 0,18 +4,8 (23)
Ряд 4 F4my= 0,0023 2 – 0,095 +2,43. (24)
Уравнения справедливы при 21>>4 мм. Корреляционные отношения уравнений: 1=0,99 (21); 2 =0,98 (22); 3=0,98 (23); 4 =0,95 (24).
На рис. 5 приведены графики зависимости удельной силы тяги от рабочего зазора.
Рис. 5. Зависимость удельной силы тяги от рабочего зазора:
ряд 1 – диаметр якоря 100 мм, масса обмотки 4 кг; ряд 2 – диаметр якоря 70 мм, масса обмотки 5,25 кг; ряд 3– диаметр якоря 50 мм, масса обмотки 3 кг; ряд 4 – диаметр якоря
50 мм, масса обмотки 6 кг
На рис. 6 приведены графики зависимости удельной работы от рабочего зазора при включении двигателя.
Рис. 6. Зависимость удельной работы от рабочего зазора при включении двигателя
Данные таблиц и графики (см. рис. 6 и 7) показывают, что наилучшие параметры среди испытанных имеет первый двигатель с диаметром якоря 100 мм и массой обмотки 4 кг.
В результате теплового эксперимента установлено, что для обеспечения безопасного теплового режима линейного электромагнитного двигателя без обдува плотность тока не должна быть больше 1 А/мм2. Удельные тепловые потери (отношение тепловой мощности к массе обмотки), при которых температура обмотки ниже 60 °С (допустимой по правилам ТБ), у двигателя с диаметром якоря 100 мм и массой обмотки 4 кг максимальные (
/mо = 15 Вт/кг). Это свидетельствует о том, что его параметры более рациональны по сравнению с параметрами других двигателей.
Эксперименты показали, что приращение температуры за первые 15 минут практически функционально связано с установившейся температурой за 150 минут. Таким образом, определение средней установившейся избыточной температуры, без проведения длительных испытаний, можно производить по формуле
у = [1-еxp(- tу/tо)]-1, (25)
где tу – время ускоренных испытаний, равное 15…20 минут; – приращение температуры обмотки за 15…20 минут.
В результате теплового эксперимента установлено, что коэффициент теплопроводности обмотки оказался равным 0,5…0,65 Вт/(мК), что существенно больше, чем рекомендуется в известных работах.
Энергетические характеристики рабочего процесса ВТМ с линейными двигателями приведены в табл. 6. Результаты эксперимента, приведенные в табл. 6, позволяют сделать вывод: наименьшую энергоемкость среди рассмотренных ВТМ при приемлемых тепловой нагрузке и производительности имеет машина с якорем диаметром 100 мм, массой обмотки 4 кг и массой рабочего органа 200 кг.
Таблица 6
Результаты испытаний ВТМ с линейными электромагнитными вибровозбудителями
| Резонансная частота fр, Гц | Мощность двигателя Рр, Вт | Ток в обмотке двигателя J, А | Масса РО mро, кг | Тепловая мощность Рт, Вт | Производительность Q, т/ч | Время протекания max тока tmax, мс | Время работы двигателя за цикл t, мс | Коэф. энергет. эффективности Kэ, Дж/кг | Примечание |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 4,6 | 580 | 25 | 205 | 143 | 27,3 | 70 | 110 | 76 | = 2 град; = 30 град; dя = 100 мм; W = 270; R0 = 0,6 Ом; mо = 4,0 кг; Gдв = 25 кг; [Рт] = 80 Вт |
| 4 | 100 | 16 | 53 | 5,4 | 75 | 120 | 66 | ||
| 4 | 160 | 19 | 69 | 11,1 | 65 | 100 | 52 | ||
| 4,75 | 100 | 16 | 170 | 54 | 6,1 | 60 | 100 | 59 | |
| 4,45 | 420 | 23 | 145 | 17,3 | 90 | 130 | 86 | ||
| 4,75 | 335 | 20 | 150 | 91 | 14,4 | 70 | 100 | 84 | |
| 6,65 | 595 | 23 | 100 | 145 | 10,4 | 60 | 90 | 205 | |
| 6,25 | 500 | 22 | 91 | 11,9 | 50 | 80 | 152 | ||
| 5,55 | 220 | 16 | 66 | 12,4 | 65 | 100 | 63 | ||
| 6,25 | 315 | 21 | 112 | 19,4 | 55 | 95 | 58 | ||
| 5,55 | 120 | 17 | 72 | 4,3 | 65 | 110 | 100 | ||
| 5,55 | 335 | 23 | 138 | 24,2 | 65 | 110 | 50 |
Окончание табл. 6
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 3,4 | 218 | 16 | 132 | 41 | 9,7 | 70 | 165 | 80 | =6о; dя = 50 мм; W = 936; Rо = 1,6 Ом; mо = 6 кг; Gдв = 16 кг; [Рт] = 50 Вт |
| 238 | 17 | 37 | 10,0 | 50 | 150 | 85 | |||
| 244 | 17 | 46 | 11,5 | 70 | 170 | 76 | |||
| 4,65 | 90 | 27 | 100 | 29 | 5,4 | 70 | 110 | 60 | = 2о; dя = 70 мм; W = 290; R0 = 0,4 Ом; mо = 5,34 кг; Gдв = 23 кг; [Рт] = 60 Вт |
| 3,85 | 205 | 27 | 140 | 36 | 5,4 | 100 | 150 | 136 | |
| 3,6 | 315 | 36 | 160 | 52 | 5,7 | 90 | 140 | 196 | |
| 3,3 | 320 | 40 | 180 | 80 | 5,7 | 100 | 160 | 200 |
В результате экспериментальных исследований была получена зависимость удельной производительности от перемещения груза за один цикл колебаний:
Qу = 0,5 +2,14 Lо. (26)
Уравнение (26) адекватно описывает связь Lо и Qу при изменении перемещения 0,02 <Lо < 5 см, R2 = 0,99. Линейная зависимость Qу от Lо хорошо согласуется с физикой процесса движения груза по вибрирующей поверхности.
Следует отметить, что перемещение груза за один цикл колебаний и энергоэффективность существенно зависят от его режимных параметров, которые в свою очередь определяются параметрами системы управления (табл. 7).
Таблица 7
Результаты эксперимента по определению рационального момента включения и работы электромагнитного линейного двигателя
| Резонансная частота fр, Гц | Среднее перемещение за один цикл Lо, см | Ток в обмотке J, А | Время опережения включения двигателя tо, мс | Мощность на входе в преобразователь Рвх, Вт | Удельная производительность, Qу т/(м2ч) | Коэф. энергетич. эффективности Kэ, Дж/кг | Тепловая мощность Рт, Вт |
| 4,5 | 2,95 | 23 | 40 | 420 | 12,8 | 122 | 129 |
| 4,75 | 4,6 | 24 | 0 | 380 | 20,5 | 67 | 83 |
| 3 | 1,5 | 15 | -50 | 260 | 3,2 | 290 | 52 |
| 5,4 | 4,2 | 24 | 30 | 390 | 16,5 | 84 | 108 |
| 3,4 | 1,5 | 21 | 60 | 430 | 3,7 | 270 | 90 |
| 3,8 | 2,9 | 15 | -15 | 390 | 12 | 100 | 34 |
В результате статистической обработки данных табл. 7 получена зависимость: коэффициента энергетической эффективности (Kэ, Дж/кг), перемещения груза за один цикл (Lо, см), удельной производительности (Qу, т/(чм2)) от времени опережения включения двигателя (tо):
Kэ = 64,5 - 1053 tо + 71120tо2 ; (27)
Lо = 4,1 + 12 tо - 909tо2 ; (28)
Qу = 17,9 + 73,7 t0 - 4980tо2. (29)
Уравнения (27)-(29) справедливы при изменении -50 < t0 < 60 мс для частот от 3 до 6 Гц. Корреляционные отношения этих уравнений: R1 = 0,98; R2 = 0,86; R3 = 0,91.
Зависимость коэффициента энергетической эффективности от времени опережения включения двигателя приведена на рис. 7.
Рис. 7. Зависимость коэффициента энергетической эффективности от времени
опережения включения двигателя
Уравнения (27)-(29) справедливы при изменении -50 < t0 < 60 мс для частот от 3 до 6 Гц. Уравнения (27)-(29) показывают, что рациональный диапазон времени опережения включения двигателя для частот от 3 до 6 Гц находится в пределах: 0 < t0 < 15 мс. Это хорошо согласуется с физикой рабочего процесса ВТМ. Таким образом, снижение энергозатрат и тепловой нагруженности, а также повышение производительности можно достичь, если включать линейный двигатель тогда, когда рабочий орган движется вверх и находится в 5…8 мм от крайнего нижнего положения
В четвертой главе приведена методика расчета основных параметров электромагнитного вибровозбудителя. Исходными данными при расчете вибровозбудителя для грохота являются: производительность (Q), удельная производительность (Qу), скорость транспортирования горной массы (Vгр), насыпная плотность груза (гр), гранулометрический состав горной массы (средний и максимальный диаметр куска), коэффициенты трения горной массы.
В результате расчета определяются конструктивные параметры обмотки и двигателя, максимальная температура, а также энергетические показатели ВТМ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности работы вибротранспортных машин с линейным электромагнитным вибровозбудителем на основе выбора его рациональных режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих при заданной работоспособности приемлемые производительность и энергоемкостъ процесса вибротранспортирования горной массы.
1. Предложены критерии эффективности электромагнитных линейных вибровозбудителей: удельное тяговое усилие (Fту, Н/см2); отношение удельного тягового усилия (Fmy, Н/(кгсм2)) к массе обмотки (mоб, кг); отношение максимальной установившейся избыточной температуре к массе обмотки (о/mо, К/кг).
2. Эффективность использования линейного электромагнитного вибровозбудителя в ВТМ следует оценивать: по величине удельной работы (Е1/mо, Дж/кг); отношению работы движущего усилия (Е1) за один цикл к массе обмотки (mо); перемещению груза за один цикл (Lо, см ), равного отношению скорости его движения (V, см/с) к частоте колебаний (f, Гц); коэффициенту энергетической эффективности рабочего процесса (Kэ = Рвх/Q, Дж/кг), равному отношению фактической мощности к производительности.
3. Наиболее эффективным вибровозбудителем для низкочастотных ВТМ является линейный электромагнитный двигатель, имеющий практически в 2 раза большие, по сравнению с магнитоиндукционным, удельные энергетические (Е1/mо, Дж/кг; Kэ=Рвх/Q, Дж/кг) и тяговые показатели (Fту, Н/см2; Fmy, Н/(кгсм2)), а также перемещение груза за один цикл (Lо, см) колебаний.
4. Отношение полезной работы за цикл колебаний к массе обмотки при приемлемой тепловой нагруженности у электромагнитного линейного вибровозбудителя – двигателя с диаметром якоря 100 мм в 2,2 раза больше, чем у магнитоиндукционного и двигателя на постоянных магнитах. Использование линейного электромагнитного двигателя с постоянными магнитами в качестве вибровозбудителя низкочастотных ВТМ практически невозможно, так как максимальное усилие, которое он может развить, меньше силы упругости опор в конце хода рабочего органа.
5. Установлено, что для обеспечения приемлемых энергозатрат, производительности и тепловой нагруженности, при рабочем зазоре 15…20 мм, линейный двигатель должен включаться тогда, когда рабочий орган движется вверх и находится в 5…8 мм от крайнего нижнего положения. Время протекания максимального тока не должно превышать четверти периода собственных колебаний.
6. Установлено, что установившуюся избыточную температуру обмотки линейного двигателя ВТМ возможно определять по скорости её нарастания за первые 15 минут её нагрева. На основе анализа тепловых сопротивлений элементов линейного электромагнитного вибровозбудителя разработана эквивалентная схема для расчета установившейся избыточной температуры обмотки. Максимальная тепловая нагрузка, при прочих равных условиях, магнитоиндукционного двигателя существенно превышает допустимую. При проведении тепловых расчетов обмоток, намотанных прямоугольным проводом со стеклотканевой изоляцией, коэффициент теплопроводности следует принимать равным 0,5…0,65 Вт/(мК).
7. Установлено, что для линейных двигателей постоянного тока, используемых в качестве вибровозбудителей в ВТМ с рабочим зазором = 15…20 мм, рациональные соотношения параметров обмотки следующие: /Hк = 0,25; Hк /Aк =1; Dк/dя = 2,0; Aк/ dя = 0,5; 2Hк/dя = 1; Aк =0,5(Dк - dя).
Основные результаты работы использованы при проектировании вибрационной машины для грохочения мелких классов хвостов обогащения руд тяжелых металлов и в ударной установке для забивания труб в связный грунт с целью его укрепления.. Расчетный экономический эффект при использовании электромагнитного вибровозбудителя в ВТМ составит 30 тыс. руб. в год на одну машину.
Публикации по теме диссертации
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных
журналах, входящих в перечень ВАК
1. Косенко Е. А., Суслов Д. Н., Афанасьев А. И. Рациональный режим работы резонансных вибротранспортных машин с линейным электромагнитным вибровозбудителем // Горное оборудование и электромеханика. 2011. № 11. С. 27-30.
2. Косенко Е. А., Суслов Д. Н., Афанасьев А. И. Результаты и методика тепловых испытаний линейного двигателя грохота // Известия вузов. Горный журнал. 2011. №7. С. 106-109.
3. Суслов Д. Н., Афанасьев А. И., Косенко Е. А. Переходный процесс в авторезонансном питателе: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. «Транспорт ХХI века: исследования, инновации, инфраструктура». Выпуск 97 // (URL WWW. USURT.RU.). Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2011. С. 704-708.
4. Косенко Е. А., Афанасьев А. И. Оценка эффективности работы линейных двигателей в резонансных вибротранспортных машинах // Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 6. С. 53-57.
5. Косенко Е. А.,Суслов Д. Н., Афанасьев А. И. Пуск под нагрузкой и ударное нагружение резонансных питателей // Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 3. С. 95-98.
6. Статическая тяговая характеристика линейного электромагнитного двигателя постоянного тока для авторезонансных вибротранспортных машин / А. И. Афанасьев, Е. А. Косенко, Д. Н. Суслов, А. А. Чиркова // Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 9. С. 18-23.
7. Косенко Е. А. Эквивалентная тепловая модель линейного электромагнитного вибровозбудителя // Современные проблемы науки и образования. (приложение «Технические науки»). 2012. № 6. С. 13.
Работы, опубликованные в других изданиях
8. Афанасьев А. И., Косенко Е. А., Суслов Д. Н. Параметры тяговой характеристики линейного электромагнитного двигателя для вибротранспортных машин при пуске под нагрузкой // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов Х Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. С. 377-380.
9. Выбор рационального рабочего зазора линейного управляемого двигателя резонансного вибропитателя-грохота / А. И. Афанасьев, Е. А. Косенко, Д. Н. Суслов, А. А. Чиркова // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы XVII Междунар. науч.-техн. конф. Екатеринбург: Изд. «Форт.Диалог-Исеть», 2012. С. 271-273.
Подписано в печать 20.11.2012 г.
Бумага офсетная. Формат 60х84 1/16. Печать на ризографе.
Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ
Издательство УГГУ
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Отпечатано с оригинал-макета
в лаборатории множительной техники издательства УГГУ
