WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Для вывода дифференциального уравнения вакуум-регулятора с клапаном (заслонкой), пружиной, грузом (массой m) и демпфером, если за входную величину принять величину вакуума Р в вакуумной системе, а за выходную величину - перемещение заслонки х1 и считать известными приведенные к точке А силы вакуума системы, действующего на заслонку Fз, уравновешиваемой силами пружины Fп и инерционными Fи, составим уравнение равновесия сил, приведенных к точке А, в общем виде: Fз = Fи + Fд + Fп, (1) где Fи - инерционная сила, пропорциональная ускорению а и приведенной массе подвижных частей m (грузу) Fи = mа ; (2) Fд - сила демпфера, пропорциональная скорости и коэффициенту демпфирования с Fд = с1 ; (3) Fп - сила упругости пружины, пропорциональная перемещению х и коэффициенту упругости или жесткости пружины с Fп = с2 х. (4) Подставив полученные значения в выражение (1), уравнение равновесия сил, приложенных к клапану примет вид:

d x dx, (5) Fз = m + c1 + c2 x dt dt здесь Fз - сила, действующая на заслонку вакуум-регулятора, зависящая от площади сопла S0 и величины вакуума Рн в системе Fз = РнS0. (6) Перемещение клапана х зависит от расхода воздуха, формы сопла и клапана. Для наиболее часто встречающихся цилиндрического сопла и плоской заслонки хmax = D / 4. В узлах "цилиндрическое сопло - плоская заслонка" зависимость расхода G0 от перемещения х заслонки из-за турбулентности нелинейна. С целью повышения линейности характеристики узла "сопло - заслонка" применяют конические сопла и шариковые или конические заслонки. В исследуемом вакуумрегуляторе АДМ-08 используется конусный узел "сопло - заслонка" типа "конус - конус". Кроме того, вакуум-регулятор снабжен пружиной и демпфером, благодаря чему он имеет линейную характеристику рас хода воздуха и хода клапана, что обеспечивает соответствующее качество регулирования вакуума в системе.

С учетом вышеизложенного, формула (5) примет следующий вид:

d x dx. (7) m + c1 + c2 x = РнSdt dt После преобразования передаточная функция подвесной системы вакуумного регулятора будет:

к1, (8) W( s ) = T12s2 + T0s + d где – оператор дифференцирования.

s = dt Выражение (8) является линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Его характеристическое уравнение:

Т1 s2 + T0 s + 1 = 0 (9) - T0 ± T02 - 4Tимеет корни. (10) а1,2 = 2T2 Из данного выражения следует, что при Т0 < 4Ткорни характеристического уравнения будут комплексными. Поэтому переходный колебательный процесс будет возникать в том случае, если соблюдается неравенство - 4Т1 < 0 Т0 / Т1 < 2.

Т0 2 или Если - 4Т1 > 0 Т0 / Т1 > 2, то корни будут действиТ0 2 или тельными. В этом случае переходный процесс не будет колебательным, и система будет устойчивой. Из уравнения колебательного звена полуТ0, (11) чим:

= Тгде – коэффициент рассеивания энергии.

Откуда следует, что устойчивость рассматриваемого звена целиком зависит от коэффициента рассеивания. Звено будет устойчивым в том случае, если > 1.

Т0 = 2Т1. (12) Тогда общая передаточная функция подвесной системы вакуумного регулятора примет вид:

к1. (13) W( s ) = T12s2 + 2T1s + Уравнение равновесия в системе грузового масляного регулятора G0 n n будет:

Р = + + Pн, (14) G n где Рн - номинальная величина вакуума в системе, кПа;

- коэффициент пропорциональности вакуум-регулятора, м·с2;

n - коэффициент пропорциональности n-го доильного аппарата, м·с2.

При отсутствии нагрузки в вакуумной системе ее уравнение равновесия будет:

G0, (15) Р = + Рн V так как, (16) G = P R где R - газовая постоянная, Н·м/(кг·К);

- температура, К;

V - объем вакуумной системы, включающий вакуум-баллон, трубы и молочные емкости, м3.

Масса воздуха, накапливающегося в вакуумной системе в единицу времени при изменении в ней давления, будет равна:

dP V. (17) G = dt R С другой стороны, изменение массы (расхода) воздуха можно представить как G = G - G0. (18) При ламинарном режиме истечения воздуха через клапан вакуумрегулятора ( Р - Рн ). (19) G0 = Если истечение воздуха через клапан турбулентное, то, (20) G0/ = ( Р - Рн ) где - коэффициент пропорциональности клапана вакуумрегулятора при турбулентном истечении воздуха.

Режим прососа воздуха через вакуум-регулятор вакуум-насосом будет всегда турбулентным:

. (21) G = ( Р - Рн ) Для упрощения решения задачи подсосами воздуха в систему можно пренебречь.

Для линеаризации запишем дифференциальное уравнение в малых отклонениях от статического режима V dP. (22) = G - GR dt При относительно малых отклонениях от исходного статического режима решение задачи существенно упрощается, если заменить нелинейные характеристики дросселей касательными, проведенными к кривым в точках, отвечающих исходным режимам.

После преобразований передаточная функция вакуум-регулятора при любом режиме работы будет:

к1(T11s + 1). (23) W0 ( s ) = T12s2 + 2T1s + Исследовав устойчивость системы с помощью критерия Гурвица можно заключить, что обязательным условием устойчивой работы вакуумного регулятора является наличие рассеивания энергии в колебательном звене ( > 0 ), т.к. в противном случае один из определителей характеристического уравнения будет равен нулю.

Согласно рисункам 1 и 2 и полученным передаточным функциям на рисунке 3 представлена общая структурная схема вакуумной доильной системы в общем виде.

На схеме обозначены следующие основные звенья системы:

WЭД(s) – первое апериодическое (электродвигатель); WВН(s) - усилительное (вакуум-насос); Wб(s) – второе апериодическое (вакуумбаллон); е-s – звено чистого запаздывания (вакуум-провод); W(s) – третье апериодическое (доильные аппараты); Wр(s) – (вакуумрегулятор).

Звено чистого запаздывания имеет е-s место в длинных вакуумных линиях только в том случае, если время запаздывания будет соизмеримо с постоянными времени регулятора вакуума Wр(s).

Рв Pр Pб U Pр1 PW(s) Wб(s) е-s Wэд(s) Wвн(s) Wр(s) Рисунок 3 – Общая структурная схема вакуумной доильной системы.

Кроме того, на схеме обозначены: U – напряжение питающей сети, В; – угловая скорость вращения ротора электродвигателя, с-1; РВ – вакуум на выходе из вакуумного насоса, кПа; Рб – вакуум на выходе из вакуумного баллона, кПа; Р0 – атмосферное давление, кПа; Рр, Рр1 – вакуум на выходе сравнивающего органа (вакуумного регулятора), кПа.

В результате получены передаточные функции данной системы для трех различных вариантов. Наиболее общим из них является вариант с передаточной функцией:

k0kk3k4 (T3s + 1)(T4 s + 1)(T12s2 + 2T1s + 1)е-s Wо( s ) = (Ts + 1)[(T3s + 1)(T4 s + 1)(T12s2 + 2T1s + 1)+ k1k3k4e-s ], (24) где k0, k, k3, k4, - коэффициенты усиления вакуумного насоса, электродвигателя, вакуумного баллона и доильного ведра, соответственно;

Т, Т3, Т4 – постоянные времени электродвигателя, вакуумного баллона и доильного ведра, соответственно, с.

В связи с тем, что все характеристические уравнения передаточных функций пятого порядка и некоторые из них содержат звенья чистого запаздывания е-s, использование классических критериев Гурвица, Михайлова и др. для их исследования представляет значительную сложность и громоздкость. Поэтому их исследование целесообразно провести по переходным характеристикам, полученным в результате компьютерных экспериментов.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований стабилизации вакуума в доильных установках» даны общая программа и методика экспериментальных исследований, перечень оборудования и приборов, используемых для проведения опытов, изложены частные методики исследования и техника обработки экспериментальных данных.

В программу исследований входили:

- выявить возможность применимости теории струй идеального газа в теории вакуумных струй;

- проверка и уточнение полученных теоретических зависимостей;

- изучение динамических процессов, происходящих в вакуумной доильной системе;

- определение относительной длительности переходных процессов;

- определение постоянных времени и коэффициентов усиления.

Эксперимент включал две составляющие:

- лабораторный эксперимент;

- компьютерный эксперимент.

Лабораторные исследования процесса работы вакуумной доильной системы проводились на доильной установке УДС-3. Экспериментальная доильная установка оборудована вакуумным насосом, вакуумбаллоном с вакуум-регулятором, манометром и доильными аппаратами.

Запись давлений в камерах всех узлов определялась с помощью тензометрической аппаратуры. В состав аппаратуры входили усилитель ТДА-6, плата сопряжения, преобразующая электрический сигнал в цифровое изображение, датчики и кабели, соединяющие датчики ТДДМ-1 с усилителем.

Для проведения компьютерного эксперимента использовался пакет прикладного программного комплекса "Моделирование в технических устройствах" ("МВТУ"), с помощью которого обеспечивается исследование переходных и установившихся процессов в автоматических системах любой физической сущности, сложности и практически в любых режимах работы при изменении их параметров и структуры.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований вакуумной системы питания доильных установок и их анализ» представлены результаты экспериментального подтверждения теоретических исследований и дан их анализ.

В ходе опытов по определению формы распространения струи дыма в вакууме и на сжатом воздухе было установлено, что в начальный момент (рисунок 4,в, г) при попадании струи дыма в вакууммируемую емкость наблюдается ее цилиндричность от самого выходного сопла до дна емкости. Затем наблюдается сокращение цилиндричного участка струи и переход ее в турбулентную вследствие вовлечения в струю разреженного в емкости воздуха. Далее струя дыма постепенно превращается из цилиндрической в турбулентную.

в а б г Рисунок 4 - Распространение струи дыма:

а, б – при избыточном давлении (Ра = 150 кПа; Рб = 120 кПа);

в, г – в вакууме (Рв = 55 кПа; Рг = 5 кПа) При попадании струи дыма в среду сжатого воздуха (рисунок 4,а, б) перед соплом наблюдается обратная картина.

Сравнивая два опыта, можно заключить, что при попадании струи дыма в вакуум ее цилиндричность наблюдается на гораздо большем удалении от сопла, чем при избыточном давлении, что позволяет с большей уверенностью использовать теорию струй идеального газа для расчета струйно-сильфонного вакуумного управляющего устройства, необходимого для схемы управления работой вакуумной силовой установки.

Масса груза вакуум-регулятора подбирается в зависимости от параметров вакуум-насоса и системы в целом. Так для насоса УВУ – 60/45 зависимость глубины вакуума в системе от массы груза вакуумрегулятора приобрела вид, представленный на рисунке 5.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 - экспериментальные данные Масса груза, г - линия тренда Рисунок 5 – График зависимости глубины вакуума в системе от массы груза вакуумного регулятора Анализируя график (рисунок 5) можно сделать вывод, что глубина вакуума в системе возрастает с увеличением массы груза вакуумного регулятора по формуле y=-8E-06x2+0.0449x+4.6193, R2=0.9928.

Натурный эксперимент (рисунок 6) проводился при следующих параметрах вакуумной системы: масса груза вакуум-регулятора mгр=1,кг, вакуум питающей линии Р=55 кПа, длина линии l=10 м, жесткость пружины вакуум-регулятора с2=0,5 Н/м, коэффициент демпфирования вакуум-регулятора =0,2.

Вакуумный регулятор был установлен перед вакуумным баллоном. Вместе с тем, был проведен компьютерный эксперимент при тех же параметрах системы.

Давление в системе, кПа Анализ результатов моделирования (рисунок 6) при различных значениях параметров показал их высокую сходимость с данными экспериментальных исследований. Это подтверждает адекватность структурной модели исследуемой вакуумной системы питания доильных установок, и дает основание, наряду с лабораторными исследованиями, на её основе проводить компьютерные эксперименты по динамике вакуумных доильных систем в тех случаях, когда натурный эксперимент провести невозможно. Расхождение между экспериментальными и теоретическими зависимостями составляет не более 5 %. Это подтверждает правильность определения передаточных функций, постоянных времени и переходных характеристик.

1 – результаты компьютерного эксперимента 2 – экспериментальные данные Рисунок 6 – Совмещенный график экспериментальных исследований и компьютерного эксперимента вакуумной системы питания доильных установок Полученные экспериментальные данные служили основным материалом для тщательного изучения работы вакуумной системы питания доильных установок и выявления влияния различных факторов на ее основные параметры.

В пятой главе «Результаты производственной проверки энергосберегающей вакуумной системы питания доильных установок и расчет экономической эффективности ее применения» изложены результаты опытно-производственной проверки, предложена рациональная схема энергосберегающей вакуумной системы питания доильной установки и проведена экономическая оценка эффективности ее применения.

Опытно-производственная проверка энергосберегающей вакуум ной системы питания доильных установок проводилась в ОПХ «Экспериментальное» в зимне-стойловый и в летний периоды при доении коров в стойлах, а также на установке с проходными станками УДС-3 со сбором молока в доильные ведра, в ОПХ «Зерноградское» и в фермерском хозяйстве «Колесов Э.В.» Зерноградского района Ростовской области.

В задачу проверки входили:

- определение основных параметров вакуумной системы питания доильных установок;

- выявление факторов, влияющих на изменение расхода воздуха вакуумной системы, уровня вакуума в системе и длительности процесса доения;

- составление на их основе гистограммы работы вакуумной системы питания доильных установок.

Оценка результатов испытания энергосберегающей вакуумной системы питания доильных установок проводилась с использованием двухрежимного доильного аппарата на стаде с продуктивностью не ниже 3270 – 4490 кг молока на фуражную корову в год.

Использование схемы управления работой энергосберегающей вакуумной силовой установки с двумя и тремя вакуумными насосами позволит снизить эксплуатационные затраты на 12,1 % и 16,1 %, а энергозатраты на 32,4 % и 43,3 %, соответственно. Годовой экономический эффект внедрения энергосберегающей схемы управления работой вакуумной силовой установки составит 8110 рублей и 12414 рубля соответственно для двух и трех вакуумных силовых установок. Срок окупаемости дополнительных капиталовложений в обоих случаях составит 0,года.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»