Лекции 11 12 Приводные характеристики сельскохозяйственных машин Экспериментальное

Лекции 11, 12 Приводные характеристики сельскохозяйственных машин. Экспериментальное определение приводных характеристик. Вопросы: 1. Виды приводных характеристик с. х. машин. 2. Экспериментальное определение J и Мрм. 3. Нагрузочные диаграммы и их снятие.

1. Виды приводных характеристик сельскохозяйственных машин. Для любой рабочей машины с электроприводом необходим выбор рационального электродвигателя, обеспечивающего высокую производительность всего устройства, требуемое качество продукции, минимальные капитальные затраты и эксплуатационные расходы на единицу вырабатываемой продукции. Под рациональным ЭП подразумевается сочетание всех свойств и элементов привода со свойствами рабочей машины и технологического процесса, т. е. ЭД, ПМ, УУ должны быть выбраны правильно и обеспечивать минимальные затраты на получение качественной продукции. Необходимые сведения для разработки рационального ЭП содержатся в приводных характеристиках рабочих машин, к ним относятся: технологические, кинематические, энергетические, механические, нагрузочные и инерционные характеристики.

Технологические характеристики – это технологическая схема, показывающая последовательность операций по обработке с. х. продукции. Эти характеристики сформулированы в виде определенных технологических требований к электроприводным установкам – зоотребования, агротребования, технические условия и т. д. В них отражаются требования к качеству электроснабжения ЭП и требуемому уровню автоматизации ЭП и др. Для ЭП по технологическим характеристикам определяют: усилия, моменты, скорость и ее колебания, загрузку рабочей машины, порядок пуска и остановки оборудования, режимы работы электродвигателей, виды защиты ЭП от технологических перегрузок. Они используются для анализа и расчетов приводных характеристик оборудования, для выбора ЭП по исполнению с точки зрения защиты от воздействия окружающей среды. Пример технологической схемы линии доения и первичной обработки молока на животноводческой ферме КРС показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема доения и первичной обработки молока на ферме КРС.

Насосная: вакуумные насосы – помещение сухое, отапливаемое; режим работы длительный с постоянной нагрузкой; управление ручное или дистанционное «пуск-стоп» или непрерывное регулирование оборотов АД для стабилизации величины вакуума; защита ЭП от заклинивания ротора насоса, от неполнофазного режима. Молочный блок: помещение влажное, отапливаемое; молочный насос от релизера – повторно-кратковременный режим работы с частыми пусками (до 250… 300 вкл/час); сепаратор – длительный режим работы с постоянной нагрузкой и продолжительным пуском (время пуска до 20… 30 с); насос охладителя – длительный режим работы с постоянной нагрузкой; молочный насос от молочного танка – кратковременный режим работы с постоянной нагрузкой; защита ЭП от перегрузки и неполнофазного режима; управление ручное или дистанционное «пуск-стоп» . Аналогичный анализ рекомендуется проводить при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Кинематические характеристики – это последовательность передачи движения от ЭД к ИОРМ; они содержат данные о характере движения (вращательное, поступательное или сложное), раскрывают механические связи в системе ЭП; показывают величины передаточных отношений, угловых или линейных скоростей, моменты сопротивлений и инерции; позволяют рассчитать траектории движения и возникающие ускорения перемещающихся масс. Эти характеристики используются на стадии разработки рабочей машины. При необходимости они составляются в виде схемы путем детального изучения конструкции машины: замера диаметра шкивов, приводных барабанов, подсчета количества зубьев шестерен и определения передаточных отношений. Одновременно выявляется наличие зазоров и упругих элементов для оценки их влияния на величину момента инерции, сопротивления или усилия в начале трогания машины. Анализ этих факторов позволяет представить систему ЭД-ИОРМ в виде одномассового или многомассового звена – рисунок 2.

Рисунок 2 схемы системы ЭД-ИОРМ

Энергетические характеристики – отражают распределение энергии между отдельными узлами машины, показывают общий и удельный расходы электрической энергии на выполнение технологического процесса. Их изучение позволяет обосновать место установки ЭД для рабочих машин, имеющих несколько рабочих органов. Обычно при использовании только одного ЭД его устанавливают ближе всего к самому энергоемкому узлу. Эти характеристики широко используются при разработке многодвигательного привода. Например, при разработке измельчителя корнеклубнеплодов на основе анализа энергетических характеристик его рабочих органов было выбрано экономически обоснованное решение об установке вместо одного АД трех АД, имеющих в сумме меньшую мощность. В итоге ИКМ-5 имеет: АД для насоса подачи воды для мойки корнеплодов, АД привода транспортера перемещающего вымытые овощи на измельчение, АД привода устройства для измельчения.

Механические характеристики – эти характеристики ИОРМ отражают их механические свойства и особенности протекания технологического процесса; они служат для выбора мощности ЭД, проверки его устойчивости работы и условий пуска , используются при обосновании способа регулирования скорости ЭД. В общем виде механические характеристики ИОРМ имеют вид: МС=М 0+(МСНОМ-М 0)(ω/ωном)α α=0 , МС= МСНОМ=const - подъемные краны, лебедки, транспортеры, поршневые насосы и др. α=1 , МС=М 0+(МСНОМ-М 0)(ω/ωном) – глиномялки и льномялки, генераторы постоянного тока с независимым возбуждением, зерноочистительные машины и др. α=2 , МС=М 0+(МСНОМ-М 0)(ω/ωном)2 - вентиляторы, сепараторы, центробежные насосы, дробилки и др. α= - 1, МС=М 0+(МСНОМ-М 0)(ωном/ω) - металлорежущие станки, зерновые нории под нагрузкой, шнековые транспортеры и др. Внешний вид механических характеристик ИОРМ показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Механические характеристики ИОРМ

Рассмотренные механические характеристики ИОРМ и формулы, их аппроксимирующие, справедливы для частоты вращения, равной ω/ωном ≥ 0, 1. При нулевых скоростях вращения существенное значение имеет величина момента трогания – Мтр, причем для большинства ИОРМ в сельском хозяйстве Мтр ≥ Мо. По величине соотношения Мтр/Мсном сельскохозяйственные ИОРМ по условиям пуска ЭП подразделяются на три группы: Мтр/Мсном < 0, 3 – механизмы и машины облегченного пуска, это в основном центробежные механизмы; Мтр/Мсном = 0, 3… 1, 0 – механизмы и машины затрудненного пуска, это грузоподъемные механизмы, транспортеры, смесители, молотилки; Мтр/Мсном > 1, 0 – механизмы и машины трудного пуска, это дробилки и измельчители, пилорамы, прессы. Значение Мтр оказывает существенное влияние на выбор мощности ЭД и его конструкцию. В ряде случаев эта величина является определяющим фактором.

Нагрузочные характеристики – это диаграммы зависимости момента сопротивления Мс, мощности Ррм (потребляемого ЭД тока I) или усилия Fрм от времени t, линейного S или углового α пути. Нагрузочные характеристики ЭП получают либо расчетным путем, либо их снимают экспериментально. Их вид определяется технологическим процессом для каждого конкретного ИОРМ. Они оказывают существенное влияние на выбор мощности ЭП. Примеры нагрузочных диаграмм некоторых сельскохозяйственных даны на рисунке 4. Нагрузочные диаграммы ИОРМ в зависимости от соотношения К=Мрмmax/Мрмср подразделяют на три группы: К<1, 4 – это ИОРМ со слабо переменной нагрузкой (маховиковый привод не используется); К=1, 4… 2, 0 – это ИОРМ с умеренно переменной нагрузкой (маховиковый привод используется в особых случаях); К>2, 0 – это ИОРМ с резко переменной нагрузкой (маховиковый привод используется обязательно).

Рисунок 4 – Нагрузочные диаграммы ИОРМ

Инерционные характеристики – это зависимости момента инерции рабочей машины от времени, линейного или углового пути. Они используются для определения времени пуска и торможения ЭП, исследования переходных процессов и определения динамических усилий и моментов в системе ЭП. Большинство сельскохозяйственных машин имеют постоянное значение момента инерции, при этом переменная составляющая момента инерции, связанная с перемещением обрабатываемого продукта, не превышает 5… 15% от суммарного значения момента инерции и ею в практических расчетах динамики ЭП можно пренебречь. Исключение составляют ИОРМ с кривошипно-шатунным механизмом (сеносоломорезки, лесопильные рамы, решетные станы и др. ). Степень инерционности ЭП численно оценивают коэффициентом инерции – FJ=J/Jэд, где J – суммарный приведенный момент инерции ЭП, Jэд – момент инерции ротора ЭД. Причем всегда FJ>1. Сельскохозяйственные ЭП по значению FJ подразделяются на три группы:

FJ < 5 – малоинерционные, это конвейеры, нории, центробежные насосы и др. FJ = 5… 15 – средне инерционные, это смесители, центробежные вентиляторы, измельчители кормов и др. FJ > 15 – сильно инерционные, это молотковые дробилки, зернодробилки, центрифуги, молочные сепараторы и др. Значение и степень изменения момента инерции оказывают решающее влияние на продолжительность переходных процессов и равномерность работы ЭП. Чем больше значение FJ, тем равномернее нагрузка на ЭД и, как правило, меньше его установленная мощность. Одновременно с ростом FJ увеличивается время пуска ЭП и продолжительность переходных процессов в нем. Для ИОРМ, имеющих несколько рабочих органов или с кривошипно-шатунными механизмами, величину момента инерции - J определяют на основе экспериментальных исследований.

2. Экспериментальное определение J и Мрм. Значения маховых моментов якорей и роторов ЭД приводятся в соответствующих каталогах. В практике исследований и разработки ЭП сельскохозяйственного назначения, в процессе испытаний новой техники значения приведенного момента инерции ЭП и параметры механической характеристики ИОРМ определяют на основе экспериментальных исследований. Методы определения J: крутильных колебаний, маятниковых колебаний, падающего груза, свободного выбега. Метод крутильных колебаний – используется для определения момента инерции ЭП малой и средней мощности (до 100 к. Вт). Для этого вращающиеся части ЭП (ротор ЭД и жестко соединенная с ним вращающаяся часть ИОРМ) подвешивают на струне – рисунок 5 а. Диаметр и длину струны следует выбирать так, чтобы период крутильных колебаний – Т составлял не менее 1 с. Точку подвеса выбирают точно на оси вращения. Угол поворота задают не более 250.

Рисунок 5 – Схемы определения момента инерции методом крутильных колебаний

Момент инерции ИОРМ определяется как: Значение коэффициента k можно определить по размерам проволоки или экспериментально. В основном используют опыт – измеряют вращающий момент М, необходимый для закручивания проволоки из положения равновесия на угол α, тогда Часто используют контрольный образец, момент инерции которого заранее известен – Jдоб, рисунок 5 б. Опыт повторяют дважды – с контрольным образцом (определяют Тдоб) и без него (определя -ют Т). В обоих опытах угол закручивания α выбирают не более 250. Момент инерции ИОРМ в этом случае определяется как:

Метод маятниковых колебаний – используется для определения момента инерции ЭП мощностью до 1000 к. Вт. ИОРМ прикрепляется проволокой к отрезку уголовой стали (рисунок 6) так, чтобы вершина уголка могла быть использована в качестве призмы, относительно которой совершаются свободные колебания. При этом одностороннее угловое отклонение не должно превышать 150. период колебаний – Т принимается как средний за несколько колебаний. Моментом инерции уголка пренебрегают, а момент инерции ИОРМ находят по формуле: где G – вес ИОРМ, g=9, 81 м/с2. Метод падающего груза – позволяет провести измерения без разборки испытуемой машины. На конец вала ИОРМ радиусом R навивают несколько витков шнура. К другому концу шнура прикреплен груз, имеющий массу m. Во время эксперимента измеряют время t, за которое груз опускается на расстояние h. Схема установки приведена на рисунке 7,

Рисунок 6 – Схема метода маятниковых колебаний

Рисунок 7 – Схема метода падающего груза

Метод свободного выбега – широко применяется для определения приведенного момента инерции системы ЭД-ИОРМ. При отключении ЭД от источника электропитания его ротор и соединенный с ним ИОРМ за счет кинетической энергии продолжают вращаться. Из -за потерь на трение их скорость вращения постепенно уменьшается. Для определения момента инерции надо снять кривую выбега – ω=f(t). Скорость вращения измеряют тахогенератором, а регистрируют при помощи самопищущего вольтметра. В результате эксперимента получают кривую выбега, показанную на рисунке 8. На кривой выбега ω=f(t) выбирают точку А – она соответствует угловой частоте вращения ω1, механические потери ЭП - Рс для которой известны. Через точку А проводят касательную АБ и находят отрезок БВ. Момент инерции ЭП вычисляют по формуле:

Рисунок 8 – Кривая выбега

Схемы для экспериментального определения момента трогания Мтр ИОРМ приведены на рисунке 9. Рисунок 9 а – на приводной шкив радиусом R наматывают гибкий трос и подвешивают груз массой m. Массу груза постепенно увеличивают до тех пор, пока вал не тронется с места. Опыт проводят несколько раз для различных положений вала, поворачивая его перед опытом на 900. Момент трогания вычисляют по формуле: Мтр = g m R Рисунок 9 б – для определения больших моментов трогания применяют рычаг. Для исключения влияния массы рычага на результаты измерений его первоначально уравновешивают, а затем проводят опыты, аналогичные как на рисунке 9 а. Рисунок 9 в – на приводной шкив наматывают радиусом R трос и прикрепляют динамометр. Плавно натягивают трос и фиксируют наибольшее усилие трогания F. Момент трогания вычисляют по формуле: Мтр = F R Рисунок 9 г – для измерения больших моментов трогания применяют рычаг и проводят опыты, аналогичные как на рисунке 9 в.

Рисунок 9 – Схемы для измерения Мтр

Механические характеристики ИОРМ - Мс = f(ωрм) определяют экспериментально различными методами динамометрирования: при помощи электродвигателя постоянного тока, с применением тензодатчиков, методом «мотор-весы» , по кривой выбега ЭП. Двигатель постоянного тока – используется ДПТ с независимой обмоткой возбуждения, его вал соединяют с ИОРМ, этот метод применяется на испытательных стендах. Перед проведением исследований ДПТ тарируют и определяют его постоянную – С и момент холостого хода Мхх, все испытания выполняют при постоянном значении тока в обмотке возбуждения. В процессе испытаний фиксируют величину тока в якорной цепи - Iя и число его оборотов. Момент сопротивления рассчитывают по формуле: Мс = С Iя – Мхх Тензодатчики – наклеиваются на вал, соединяющий ЭД и ИОРМ – рисунок 10 а. При работе ЭД вал испытывает кручение из-за воздействия Мсрм, поэтому тензадатчики удлиняются. Измерительный прибор – ИП регистрирует изменение сопротивления тензодатчиков и этот сигнал пропорционален Мс, т. е. Мс = К х ИП.

Рисунок 10 – Схема включения тензодатчиков

Вначале работы тензодатчики тарируют. Для повышения точности измерений используют четыре датчика, включаемых по мостовой схеме – рисунок 10 б. Токосъемными устройствами служит скользящий ртутный контакт. На валу тензодатчики наклеены перпендикулярно другу и под углом 450 к оси вала. Метод «мотор-весы» - использует влияние реактивного момента ИОРМ на ЭД при их работе. Для этого статор ЭД должен быть свободно вывешен на подшипниках и к нему следует прикрепить рычаг, опирающийся на взвешивающий механизм – рисунок 11. Зная длину плеча рычага – L и показания весов – П момент сопротивления ИОРМ находят как Мс = L х П. Кривая выбега – используется для графоаналитического построения Мс ИОРМ при известном ее моменте инерции. Условия снятия кривой выбега – те же, что и при определении момента инерции. На кривой выбега - ω=f(t) выбирают точки 1, 2, 3 и т. д. – рисунок 12, через которые проводят касательные к ней – это линии 1 -4, 2 -5, 3 -6. Затем через точку 4 проводят линии 2`-4, 3`-4, параллельные этим касательным. Отрезки 0 -1`, 0 -2`, 0 -3` пропорциональны ускорениям

Рисунок 11 – Схема метода измерений «мотор-весы»

Рисунок 12 – Графоаналитический метод построения Мс = f(ω) по кривой выбега

в точках 1, 2, 3 соответственно. Строят на том же графике кривую выбега – ε = f(ω), для этого на линиях, параллельных оси t, откладывают отрезки ωнач-1``= 0 -ωнач, ω2 -2``=0 -ω2, ω3 -3``=0 -ω3. по полученным точкам 1``, 2``, 3`` - строят кривую выбега, которая в масштабе повторяет механическую характеристику ИОРМ Мс = f(ω). Расчеты при построениях выполняют в следующей последовательности: - для графика выбирают масштабы по осям mt и mω, рекомендуется отрезки 0 -ωнач и 0 -6 сделать примерно равными; - определяют масштаб ускорения mε = ε 1/ 0 -ωнач; - определяют масштаб момента mм = J mε. Основой для расчетов и построений является формула:

3. Нагрузочные диаграммы и их снятие. Экспериментальное изучение нагрузочных диаграмм и их анализ проводят при выполнении НИОКР и испытаниях сельскохозяйственного оборудования. Нагрузочные диаграммы ИОМ и ее приводного ЭД в виде экспериментально полученных зависимостей Mc=f(t), Mc=f(l, α), Pдв=f(t), Mдв=f(t), Iдв=f(t) необходимы для выбора мощности ЭД и определения его режима работы. Для их экспериментального определения используются различные датчики (тензодатчики, трансформаторы тока и напряжения, динамометры и др. ), самопищущие и регистрирующие приборы, микропроцессорные комплекты оборудования, специально разработанные испытательные стенды. Результаты исследований могут быть представлены как в табличной форме, так и в виде диаграмм на бумажном или электронном носителях.

При обработке полученных результатов выполняют аппроксимацию полученных кривых – рисунок 13, за счет чего осуществляется их сглаживание. Аппроксимацию проводят таким образом, чтобы площади под обеими кривыми были одинаковыми. При необходимости вычисляют эквивалентные значения регистрирующих величин, например: В этом случае по условиям допустимого нагрева ЭД выбирают по формуле Iэкв ≤ Iном Затем ЭД проверяют по соблюдению требований по условиям пуска и допустимой перегрузки.

Рисунок 13 – Аппроксимация нагрузочной диаграммы ЭД