Разработка бункера-питателя для процессов хранения и переработки продуктов на базе линейного асинхронного электропривода

В настоящее время бункера-питатели, силосы и специальные силосы-резервуары являются основными хранилищами сыпучих грузов. Их широко применяют в производственно-технологических процессах, а также в поточно-транспортных системах перемещения в виде приемных, перегрузочных, аккумулирующих, промежуточных и погрузочных устройств, и в сельскохозяйственных технологических процессах они составляют более 80% стационарных машин, установок и поточных линий [14].

Это обусловлено тем, что при бестарных перевозках и хранении сыпучих грузов снижается в 3−5 раз стоимость перевозки одной тонны груза, уменьшается в 3−4 раза стоимость погрузочно-разгрузочных работ, обеспечивается комплексная механизация и автоматизация этих работ, сокращаются в 5−10 раз потери груза, уменьшается в 2 раза и более стоимость сооружения хранилищ и потребность в площади для их строительства, ликвидируются расходы на тару, расфасовку и упаковку груза [38].

Разработкой и выпуском бункеров-питателей занимаются такие известные фирмы, как: «BROCK» (США) — «ENCL Maschinen», «FUNKI», «Big Ои1сЬшап» (Германия) — АО «АНТИ-ТЕОЛЛИСУСС» (Финляндия) — «ESTEV» (Франция) и др.

На сегодняшний день бункера-питатели — это экономически оправданное оборудование в цепи технологического процесса производства продукции с одной стороны, а с другой — это оборудование или с высокой себестоимостью и высокими эксплуатационными расходами, или с низкой надежностью работы.

Сказанное обусловлено тем, что основными критериями, по которым судят об эксплуатационных качествах бункеров-питателей, являются свободный (без сводообразований) и регулируемый выпуск материала, включая и полное перекрытие выпускного отверстия. Для обеспечения этих эксплуатационных качеств бункера-питатели оснащаются двумя, а иногда и тремя отдельными энергоемкими приводами. Например, бункера-питатели для выдачи сыпучих материалов на хлебоприемных пунктах включают в себя: — привод побудителей сыпучего материала для работы бункера без сводообразований- - привод питателя, обеспечивающего равномерную выдачу сыпучего материала- - привод шиберной заслонки для перекрытия выпускного отверстия бункера. Сказанное приводит к увеличению себестоимости оборудования и высоким эксплуатационным расходам. Поэтому часто, а особенно в агропромышленном комплексе, бункера-питатели оснащаются только одной шиберной заслонкой для перекрытия выпускного отверстия. Это приводит только к усугублению вопросов связанных со свободным и регулируемым выпуском сыпучего материала. Образовавшиеся своды ликвидируются шуровочными операциями (нанесение механических ударов по стенкам бункера), что ведет к изменению формы бункера, а следовательно, к более лучшим условиям для образования устойчивых сводов, а далее и к выходу из строя бункера-питателя. Отсутствие регулируемой и равномерной выдачи материала из бункера-питателя приводит к неблагоприятным (нестабильным) режимам работы, что ограничивает возможности его применения, также необходимо присутствие наблюдателя за процессом истечения материала.

Существенное улучшение технико-экономических показателей бункеров-питателей может быть достигнуто оснащением последних в месте образования сводов ворошителями-задвижками с колебательным линейным асинхронным электроприводом, что позволит обеспечить свободный и регулируемый выпуск материала, а также рабочее или аварийное перекрытие выпускного отверстия.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформированной темы исследования.

Исследование соответствует федеральной программе «Разработать научные основы развития системы технико-технологического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики» 1996;2001гг., федеральной программе «Создание техники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса» 20 012 005 гг.

Цель работы: обеспечение на предприятиях АПК бесперебойного и регулируемого выпуска из бункера-питателя зерна и продуктов его переработки путем разработки и применения ворошителей-задвижек с колебательным линейным электроприводом.

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

1 Разработать эффективные ворошители-задвижки бункера-питателя с колебательным линейным асинхронным электроприводом для бесперебойного и регулируемого выпуска сыпучего материала;

2 Установить аналитическую зависимость силы сопротивления на вторичном элементе линейного асинхронного двигателя (ЛАД) от поворотно-колебательных движений ворошителей-задвижек и разработать математическую модель колебательного линейного асинхронного электропривода ворошителей-задвижек (КЛАПВ) бункера-питателя;

3 Разработать методику физического исследования КЛАПВ бункера-питателясоздать стенд и провести исследование КЛАПВ, установленного на физической модели бункера-питателяпроверить адекватность разработанной математической модели;

4 Исследовать влияние конструктивных элементов КЛАПВ и параметров сыпучего материала на характеристику колебательного процесса ворошителей-задвижек.

Объект исследования — колебательные процессы в приводе ворошителей-задвижек бункера-питателя.

Предмет исследования — закономерности изменения параметровколебаний ворошителей-задвижек бункера-питателя и электромеханических переходных процессов ЛАД в зависимости от конструктивных элементов КЛАПВ и параметров сыпучего материала.

Методы исследований. Исследования взаимосвязей в колебательном линейном асинхронном электроприводе ворошителей-задвижек бункера-питателя с учетом электромеханических переходных процессов проводились на основе математического моделирования дифференциальных уравнений Парка-Горева, преобразованных применительно к ЛАД, в среде визуального моделирования SIMULINK /Matlab/. Обработка результатов машинных и физических экспериментов проводилась статистическими методами с использованием методов доверительных оценок распределения Стьюдента. Экспериментальные данные с аналогово-цифрового преобразователя обрабатывались в Matlab и Microsoft Excel. Достоверность и обоснованность полученных результатов оценивалась с помощью сопоставления расчетных значений с данными эксперимента, полученных на предлагаемой установке в реальных условиях эксплуатации.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.

Установлена закономерность, отражающая зависимость силы сопротивления на вторичном элементе ЛАД от поворотно-колебательных движений ворошителей-задвижек бункера-питателя с учетом параметров сыпучего материала.

Разработана математическая модель для исследования колебательного линейного асинхронного электропривода ворошителей-задвижек бункера-питателя.

Установлены закономерности, отражающие изменение колебательного процесса ворошителей-задвижек бункера-питателя в зависимости от параметров колебательного линейного электропривода и сыпучего материала.

Новизна технического решения защищена патентом РФ.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что на их основе был разработан и опробован оригинальный бункер-питатель с ворошителями-задвижками с линейным асинхронным электроприводом.

Разработанные математические модели, установленные взаимосвязи могут быть использованы на всех стадиях проектирования бункера-питателя с ворошителями-задвижками на базе линейного асинхронного электропривода. Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по построению колебательного линейного асинхронного электропривода. Разработан и создан лабораторный стенд для физического исследования процессов, происходящих в приводе ворошителей-задвижек бункера-питателя, с возможностью многоканальной выдачи и математической обработки результатов в современных программных продуктах.

На основе проведенных в рамках диссертационной работы исследований был разработан и принят к внедрению бункер-питатель с ворошителями-задвижками на базе колебательного линейного асинхронного электропривода: в ОАО «Уфамолзавод» (хоздоговор № 38−2001) — в ДУП «Кушнаренковский элеватор» (хоздоговор № 89−2000) — в учебно-опытном хозяйстве Башгосагроуниверситета.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обеспечению бесперебойного и регулируемого выпуска сыпучего материала из бункера-питателя с ворошителями-задвижками используются в учебном процессе Башгосагроуниверситета.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на 8 научно-технических, а также на ежегодных внутривузовских конференциях. В том числе: на Седьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001 г.) — на XLI-й и XLII-й научно-технических конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета (Челябинск, 2002 г., 2003 г.) — на Восьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002 г.) — на специализированной выставке-конференции «Уралпромэкспо» (Уфа, 2002 г.) — на Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде Matlab» (Москва, 2002 г.) — на международной научно-практической конференции «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа — 2003 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 101 наименования и 15 приложений. Основное содержание работы изложено на 124 страницах, содержит 58 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Наиболее эффективными устройствами, обеспечивающими бесперебойный и регулируемый выпуск сыпучего материала из бункера-питателя, на предприятиях АПК являются разработанные ворошители-задвижки с колебательным линейным асинхронным электроприводом. Новизна технического решения доказана патентом РФ на изобретение.

2. Предложенная аналитическая зависимость силы сопротивления на вторичном элементе ЛАД от поворотно-колебательных движений ворошителей-задвижек бункера-питателя адекватно отражает физические процессы при работе со всеми видами зерна и продуктами его переработки. Зависимость показала, что увеличение угла первоначальной установки ворошителей-задвижек в бункере-питателе к горизонтали позволяет снизить максимальную силу сопротивления на вторичном элементе от поворотно-колебательных движений ворошителей-задвижек.

3. Разработанная математическая модель КЛАПВ бункера-питателя, как показала экспериментальная проверка в лабораторных и производственных условиях, позволяет рассчитывать процесс с приемлемой для практических целей погрешностью (до 12%) и может быть рекомендована для проектных расчетов.

4. Установлено, что предложенный способ обеспечения бесперебойного и регулируемого выпуска сыпучего материала из бункера-питателя наиболее эффективно реализуется импульсным управлением КЛАПВ. При этом широкий диапазон регулирования амплитуды колебаний ворошителей-задвижек обеспечивается изменением частоты включения ЛАД с длиной вторичного элемента не менее 0,6 м и с критическим скольжением SKp >1.

5. Установлены закономерности изменения параметров колебаний ворошителей-задвижек бункера-питателя от основных воздействующих факторов. Несущественное влияние диапазона плотности зерна на параметры колебаний ворошителей-задвижек не ограничивает область применения определенного КЛАПВ бункера-питателя.

6. Разработана методика физического исследования КЛАПВ бункера-питателя и создан стенд для физических испытаний с многоканальной выдачей через аналогово-цифровой преобразователь на жесткий диск компьютера временных зависимостей: фазного тока, длительности и частоты включения ЛАД, угла поворота ворошителей задвижек, что позволяет оценить эффективность предложенного технического решения.

7. Экономический эффект от внедрения на хлебоприемном пункте одного бункера-питателя с КЛАПВ в ценах на 1 октября 2003 года составил 2600 рублей в год при сроке окупаемости не более 1,5 года.