WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.И. ВАВИЛОВА»

       

На правах рукописи

УСАНОВ Константин Михайлович

совершенствование технических средств и

ТЕХНОЛОГИЙ АПК системами с электромагнитными импульсными  машинами

Специальность 05.20.02 Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саратов 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В настоящее время подъем, становление и устойчивое развитие сельскохозяйственной отрасли неразрывно связаны с поиском и внедрением прогрессивных методов интенсификации операций и процессов, среди которых импульсные и вибрационные способы, позволяющие концентрировать и эффективно расходовать энергию, занимают существенное место. Использование импульсов и вибраций в условиях сельскохозяйственного производства позволяет усовершенствовать или упростить конструкцию и повысить КПД машин, улучшить качество выполняемых процессов в полеводстве, животноводстве, переработке продукции, ремонте сельскохозяйственной техники, механизировать операции и процессы, в которых другие способы оказываются нерезультативными.

В группах потенциально реализуемых в агропромышленном комплексе (АПК) с применением импульсов (группы А, Б) и вибраций (группа В) технологий важное место принадлежит операциям и процессам, обеспечиваемым ударными (группа А) или силовыми (группа Б) импульсами значительной интенсивности на объект, продукт или среду. Анализ показывает, что дискретные воздействия с усилиями F=10…50 кН или механической энергией Ау=0,04…1 кДж, используемые в сельхозтехнологиях взамен привычных, с непрерывной подачей энергии, обеспечивают нормальную работу транспортеров стационарных кормораздатчиков, отжимание сока из ягод и мягких плодов, позволяют предотвращать образование устойчивых сводов в бункерах хранения сыпучих продуктов, забивать (выдергивать) в грунт стержневые электроды при устройстве заземлений или катодной защиты при электрификации или газификации села, вести инженерные изыскания при строительстве или реконструкции объектов АПК и т.п. 

Наряду с традиционно используемыми гидравлическими и пневматическими устройствами и системами возрастающую роль играют электрические импульсные системы и машины, реализующие непосредственное, без промежуточных звеньев, энергопреобразование. Их исследованию посвящено значительное количество работ, к основным из которых следует отнести работы П.М. Алабужева, О.Д. Алимова, Н.П. Ряшенцева, А.Н. Мирошниченко, Ю.З. Ковалева, В.В. Ивашина, В.К. Манжосова, Б.Ф. Симонова, Г.Г. Угарова, В.Н. Гурницкого, Е.М. Тимошенко, Г.В. Никитенко, А.В. Львицына, В.И. Мошкина, В.Ю. Неймана и других специалистов.

Силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС), имеющие в основе  линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) и обеспечивающие наилучшие условия совместимости или интеграции приводного двигателя и рабочего органа машины, представляются здесь наиболее перспективными. Предпочтительность их применения при совершенствовании перечисленных и схожих операций в АПК предопределяется лучшей экологичностью, возможностью упрощения кинематических схем и конструкций машин и уменьшения многоступенчатости энергопреобразования, улучшения массогабаритных характеристик изделий и выступает важным направлением энерго- и ресурсо-сбережения в сельскохозяйственной отрасли. Прогнозные оценки показывают, что использование СЭМИС вместо традиционных электроприводов в перечисленных или схожих операциях позволяет сократить энергозатраты на реализацию отдельной операции от двух и более раз и сэкономить за год, в среднем, не менее 1000 кВт·ч электроэнергии на каждую систему. При этом главным препятствием в рациональной замене традиционных электроприводов и систем импульсными, электромагнитными являются отсутствие, либо неприспособленность известных машин с ЛЭМД к операциям и процессам сельхозпроизводства, а  необходимым условием расширения областей их эффективного применения в технологиях АПК, основанных на использовании ударных (группа технологий А) или силовых дискретных (группа технологий Б) воздействий, является повышение эффективности как электромагнитных двигателей импульсных машин, так и совершенствование систем с их использованием стационарного и мобильного исполнения, в том числе, переносных с автономными источниками. 

Основанием для этой работы, представляющейся продолжением комплекса работ по созданию и совершенствованию машин с импульсными линейными электромагнитными двигателями, предназначенных для механизации трудоемких технологических процессов, являются программы:

  • Научно-координационный план РАН по проблеме 1.11.1 – теория машин и систем машин по теме «Динамика и синтез механизмов для возбуждения силовых воздействий большой интенсивности»;
  • Направление 1.11.1.8 координационного плана РАН по теме «Динамический анализ и синтез схем и конструкций виброударных и импульсных машин и механизмов по условиям оптимального взаимодействия со средой»;
  • Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу (утв. Президентом РФ 30 марта 2002 г. № Пр 576);
  • Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 – 2006 годы;

––  НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» «Разработка технического обеспечения аграрных технологий».

Цель работы. Создание и совершенствование силовых электромагнитных импульсных машин и систем, обеспечивающих энергосбережение в технологиях АПК за счет повышения эффективности линейных электромагнитных двигателей и рабочих процессов в системах с их использованием.

Научная проблема заключается в том, что существующие научно обоснованные методы, подходы и технические решения не позволяют создать электромагнитные импульсные машины и системы с существенно новыми свойствами для рациональной замены традиционных электроприводов и систем и энергосбережения в ряде процессов и технологий на предприятиях агропромышленного комплекса.

Рабочая гипотеза основана на том, что в системах с импульсными ЛЭМД циклическая концентрация подводимой электрической и дискретное дозирование передаваемой объекту механической энергии достигаются меньшим, чем в традиционных системах, числом звеньев и стадий энергопреобразования в простых и технологичных двигателях или машинах, что способствует энергосбережению и повышает эффективность ряда операций и процессов в АПК.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

  • обосновать целесообразность применения силовых электромагнитных импульсных машин и систем в технологиях и на объектах АПК, сформулировать представление и установить научно-методические основы исследования и создания этих систем, в том числе, мобильных, определяемых совокупностью импульсной машины с ЛЭМД, управляющего преобразователя и источника питания ограниченной мощности;
  • сопоставить наиболее характерные типы магнитных систем ЛЭМД импульсных машин и выявить систему с высокими потенциальными возможностями, наиболее эффективную с точки зрения энергопреобразовательных процессов, отличающуюся конструктивной универсальностью, позволяющую создавать и проектировать импульсные электромагнитные машины различного технологического назначения с использованием ЛЭМД одного типа;
  • наметить пути совершенствования энергопреобразовательного процесса за счет реализации такой совокупности режимов в рабочем цикле двигателя, при которой обеспечивается эффективное преобразование электрической энергии в механическую работу в ЛЭМД;
  • оценить показатели и потенциальные возможности автономных электроисточников и накопителей энергии при энергопитании ЛЭМД импульсных машин; создать автономный мобильный источник, обеспечивающий требуемые динамические и энергетические характеристики импульсных машин с ЛЭМД; проанализировать принципы построения и разработать принципиальные схемы электрических преобразователей для ЛЭМД импульсных, в том числе, переносных машин, обеспечивающих эффективные энергопреобразовательные циклы;
  • исследовать рабочие процессы в силовой электромагнитной импульсной системе; выявить сочетание конструктивных и режимных факторов, повышающее динамическую и энергетическую эффективность импульсных, в том числе, мобильных, переносных машин и систем с ЛЭМД;
  • проанализировать основные структурные и  функциональные признаки и разработать принципиальные схемы электромагнитных машин, представляемых совокупностью импульсного ЛЭМД и устройства вывода и передачи ударных или силовых импульсов нагрузке; сопоставить способы и обосновать конструктивные схемы и параметры устройств передачи механической энергии от якоря ЛЭМД к нагрузке;
  • разработать методы расчета основных энергетических параметров и конструктивных размеров ЛЭМД импульсных машин;
  • разработать конструкции функциональных и удобных в эксплуатации импульсных электромагнитных, в том числе, мобильных машин и установок для забивания-выдергивания стержней, электродов, интенсификации разгрузки бункеров, других применений; провести производственные и полевые испытания созданных образцов импульсных машин и систем.

Методы исследований. Все исследования в работе осуществлялись с позиций основополагающих принципов системного подхода. Теоретические исследования проводились с использованием законов электромеханики, теоретических основ электротехники, основных положений теории электрических машин и автоматизированного электропривода, аппарата математического анализа и численных методов решения задач.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры. Задачи, решаемые в работе, привели к созданию двух стендов для лабораторных исследований физических моделей и опытных образцов электромагнитных импульсных машин.

Научная новизна:

  • развито представление о силовой электромагнитной импульсной системе и сформулировано понятие мобильной электромагнитной импульсной системы как функционального единства ограниченных по массе, габаритам и мощности источника питания, рабочей машины с ЛЭМД и согласующего их взаимодействие импульсного преобразователя, которое повышает эффективность решения целого ряда практических задач в АПК;
  • выдвинут, обоснован и практически подтвержден тезис об универсальности магнитной системы и конструкции броневого цилиндрического двухзазорного ЛЭМД, позволяющей сменой способа вывода механической мощности и выбором длины рабочего хода якоря создавать машины и импульсные системы для различных применений в процессах и технологиях АПК;
  • предложен способ передачи механической мощности от якоря двигателя выходному элементу и принципиальные схемы электромагнитных машин со сквозным осевым каналом, обеспечивающие при ограниченном рабочем ходе якоря любые необходимые линейные перемещения выходного элемента и неторцевую забивку продольно-неустойчивых стержневых элементов произвольной длины;
  • установлена предпочтительность аккумуляторного энергопитания для переносных электромагнитных импульсных машин кратковременного режима и комбинированного, с использованием конденсаторных накопителей, – для машин повторно-кратковременного и продолжительного режимов, определяемая минимальными габаритами, массой и высокими энергетическими показателями системы;
  • обосновано применение низковольтных конденсаторных накопителей фарадной и многофарадной емкости при передаче энергии источника двигателю, обеспечивающее эффективные энергопреобразовательные процессы ЛЭМД и высокие выходные характеристики переносных импульсных машин при одновременном многократном снижении мощности первичного источника – бензоагрегата или аккумуляторной батареи;
  • выявлена целесообразность секционирования емкостного накопителя для неодновременного, поочередного разряда секций на обмотку машины в рабочем цикле, позволяющего влиять на форму питающего импульса и расширяющего возможности управления выходной энергией;
  • развиты принципы построения тиристорных преобразователей для ЛЭМД переносных машин; разработан преобразователь с переменной коммутационной способностью, обеспечивающий хорошие выходные показатели импульсной машины, питаемой и от аккумуляторной батареи, и от емкостного накопителя;
  • предельные статические режимы ЛЭМД при намагничивающем токе в обмотке, соответствующем рабочему режиму импульсной машины;
  • выявлены и реализованы рабочие циклы ЛЭМД импульсных машин с сочетанием энергопреобразовательных режимов, обеспечивающим увеличение выходных энергетических показателей при одновременном снижении энергопотребления от источника.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована:

  • сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследований характеристик ЛЭМД и рабочих процессов импульсных машин и комплексов с их использованием;
  • экспериментальными данными, полученными на специально разработанных стендах при испытаниях ЛЭМД и электромагнитных машин;
  • результатами полевых испытаний опытных образцов автономных комплексов с импульсными ЛЭМД, созданных на основе или с учетом результатов проведенных исследований.

На защиту выносится:

для технологий групп А, Б

  • кинематическое, на холостом ходе, разделение якоря и элемента вывода механической мощности из ЛЭМД позволяет при создании электромагнитных машин преодолеть противоречия, определяемые ограниченным ходом якоря и существенной нелинейностью силовой характеристики , повысить функциональность импульсных электромагнитных машин и расширить области их эффективного применения, в том числе, в АПК;
  • применение сквозного осевого канала в линейном электромагнитном двигателе позволяет создавать машины для ударных и неударных технологий с любыми необходимыми осевыми перемещениями выходного элемента при ограниченном ходе якоря и передаче его механической мощности к элементу в неторцевом произвольном сечении элемента;

для технологий группы А

  • в ЛЭМД переносной импульсной машины автоколебания якоря за счет обратной связи по его координате на рабочем и холостом ходе повышают выходные энергетические показатели,  в среднем,  в 1,3 раза при одновре -

менном снижении энергопотребления от источника за счет реализации ус-тойчивого режима динамического индуктивного накопителя энергии при холостом, и предотвращения режима короткого замыкания при рабочем ходе якоря;

  • в электромагнитной ударной машине со сквозным осевым каналом частичная кинематическая развязка корпуса и наковальни за счет их взаимного осевого перемещения на величину 0,1 от хода якоря снижает коэффициент восстановления его скорости при ударе в среднем в два раза и улучшает вибрационно-силовые характеристики и эффективность ударной машины;
  • стартерные аккумуляторы и переносные бензоагрегаты, оснащенные конденсаторными накопителями фарадной емкости, позволяют создавать импульсные источники с необходимыми показателями для питания электромагнитных машин кратковременного, повторно-кратковременного и продолжительного режима с выходной энергией Ау=0,04…0,8 кДж и частотой ходов n=0,2…10 с-1;
  • питаемая от стартерных аккумуляторов переносная электромагнитная ударная машина кратковременного режима обеспечивает сопоставимые с пневмо- и гидроударниками выходные показатели при номинальной емкости батареи Сн на единицу массы m машины Сн/m=1,1…1,5 А·ч/кг и удельном напряжении на обмотке Uн/W=0,8…1,5 В/ виток;
  • батарея электролитических конденсаторов фарадной и более емкости при разряде на обмотку импульсного ЛЭМД с выходной энергией Ау0,8 кДж развивает удельную мощность до 0,75 кВт на кг массы машины и формирует униполярные питающие импульсы с необходимыми параметрами при единичных (n0,2 с-1) и непрерывных (n10 с-1) срабатываниях, обеспечивая режим питания электромагнитной машины, схожий с аккумуляторным при собственных удельных показателях 0,2 кДж/кг и 80 кДж/м3;
  • неодновременный разряд секций емкостного накопителя на обмотку ЛЭМД в функции координаты совершающего рабочий ход якоря создает предпосылки к улучшению удельных показателей и электромагнитных машин, и импульсных источников с накопителями за счет лучшего согласования разрядного процесса накопителя с динамическими в ЛЭМД;

для технологий группы Б

  • в линейных двигателях неударных машин выходные элементы в виде зубчатых или гладких штанг или тросов, перемещаемые на каждом рабочем ходе якорем на величину , позволяют реализовывать любые результирующие перемещения n·, n=1, 2,… при неизменном, на всей длине n·, среднем усилии Fср=const, величина которого тем меньше отличается от начального – конечного усилия двигателя на ходе , чем короче рабочий ход якоря.

Практическое значение работы:

  • обоснованы и предложены принципиальные схемы и конструкции цилиндрических ЛЭМД, в том числе, со сквозным осевым каналом, позволяющие не только разрабатывать импульсные машины с новыми свойствами и улучшенными характеристиками, но и создавать на базе этих машин автономные переносные электротехнические комплексы для различных применений, оснащая их аккумуляторными, конденсаторными или комбинированными устройствами питания с ограниченными габаритами, массой и мощностью;
  • созданы и испытаны в лабораторных и производственных условиях автономные электрические комплексы с переносными и навесными импульсными машинами с выходной энергией 0,04…0,8 кДж с аккумуляторным и аккумуляторно-конденсаторным питанием.

Реализация результатов работы. Основные методические принципы и положения, разработанные по результатам проведенных исследований, рассмотрены научно-техническим советом министерства сельского хозяйства Саратовской области, техническим советом филиала «ПоволжСЭП» («Сельэнергопроект»), признаны важными и рекомендованы для создания и внедрения электромагнитных систем в операции и процессы на предприятиях и объектах сельскохозяйственной отрасли. Результаты исследований были использованы и другими заинтересованными организациями, в частности, специализированным КБ предприятия п/я Г-4586; филиалом ФГУП «НВНИИГГ» «Саратовская геофизическая экспедиция»,– при разработке и проведении испытаний автономных электротехнических комплексов с электромагнитными машинами для импульсных технологий.

Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и цели работы, в предложении новых конструкций импульсных электромагнитных машин и автономных электротехнических комплексов с их использованием, проведении экспериментальных и теоретических исследований и обобщении их результатов, разработке методик расчета основных элементов, осуществлении авторского надзора и выполнении полевых испытаний созданных автономных электротехнических комплексов.

В отличие от близких по электромагнитной тематике исследований предшественников, посвященных повышению эффективности собственно линейных электромагнитных двигателей, настоящая работа нацелена на создание по результатам исследований на базе однообмоточных броневых цилиндрических ЛЭМД силовых электромагнитных импульсных систем, в том числе, мобильных, с автономными источниками, включающих, в общем случае, электромагнитную машину с ЛЭМД, источник питания и согласующий их взаимодействие управляющий преобразователь.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на VI Всесоюзном совещании «Электрические виброимпульсные системы» (г. Новосибирск, 1987 г.); Всесоюзной конференции по вибрационной технике (г. Кобулети, 1987 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования электропривода в сельскохозяйственном производстве» (г. Челябинск, 1989 г.); объединенных научно-технических семинарах лаборатории силовых электромагнитных импульсных систем, горных и строительных машин ударного действия и систем управления виброимпульсными источниками Института горного дела СО АН СССР (г. Новосибирск, 1987 – 1991 гг.); десятой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 1995 г.);  Всероссийской  научно-технической  конференции «Проблемы

электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2004 г.); первой, второй, третьей, Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2002,2003,2005 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ, в том числе, семь – в рецензируемых изданиях, указанных в «Перечне…ВАК», одна монография, 8 авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели. Общий объем публикаций составляет 29 п.л., из которых 22,1 п.л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 210 наименований и 4 приложений. Материал работы изложен на 433 страницах машинописного текста, включая 137 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Особенности практического применения систем с импульсными   электромагнитными машинами в технологиях и на объектах АПК. Задачи и методы исследований. Импульсные и вибрационные методы интенсификации технологических процессов распространены в технике и применяются, в том числе, на предприятиях и объектах АПК. Несмотря на то, что технологии сельскохозяйственной отрасли отличаются разнообразием и во многих случаях сложнее промышленных, доказано, что применение механических импульсов и колебаний снижает энергозатраты и повышает эффективность обработки почвы, внесения удобрений, уборочных и послеуборочных процессов, операций в животноводстве, проведения ремонта сельскохозяйственной техники. Результативность такого применения существенно зависит от обоснованности и рациональности выбора и использования средств возбуждения колебаний и импульсов.

Применяемые на крупных предприятиях гидро- и пневмоимпульсные системы и изделия, стационарные или мобильные, навесного и переносного исполнений или ручные обладают высокой производительностью, хорошими энергетическими и массогабаритными характеристиками, при необходимости легко монтируются на транспортное средство, просто обеспечиваются энергоносителем от гидро- или пневмосистемы трактора, самоходного шасси или автомобиля и незаменимы при значительных объемах работ или перерабатываемого продукта. Однако на малых, вновь создаваемых сельскохозяйственных предприятиях, использующих один вид энергоносителя, где устройство компрессорного или маслохозяйства затруднительно или невыгодно, в мобильных применениях при относительно небольших объемах монтажных работ, когда транспортировать мощную технику нецелесообразно и следует обходиться легковым автотранспортом, системы с электромагнитными машинами представляются уместными и могут конкурировать с традиционными, поскольку по наиболее важным для импульсных машин техническим характеристикам – «энергия удара Ау», «ударная мощность Ру», удельным, на единицу массы m, энергетическим показателям Ау/m, Ру/m и КПД, – они обладают значительными потенциальными возможностями, сопоставимыми с традиционными устройствами и системами, и способны выступить альтернативой в заявленных применениях.

Совокупность технических устройств и последовательность энергопреобразований в традиционных и предлагаемых системах с электромагнитными машинами для процессов и технологий сельхозпредприятий иллюстрируются структурными схемами на рисунке 1. Электромагнитные системы позволяют обойтись без компрессоров, маслостанций, магистралей для транспортировки рабочей среды к импульсной машине, что упрощает изготовление, монтаж, удешевляет эксплуатацию систем и обеспечивает совершенствование операций, процессов или технологий, реализуемых на предприятиях АПК.

При оценке возможности совершенствования технологий сельскохозяйственной отрасли машинами и системами с линейными электромагнитными двигателями операции и процессы условно разделены на группы (таблица 1), определяемые соотношением результирующих перемещений инструмента и якоря двигателя и характером их взаимодействия в каждом цикле при выполнении операции или процесса:

  • группа А – разгон якоря и удар по нагрузке или инструменту, обеспечивающий их малое, в сравнении с ходом якоря, перемещение (сводообрушение в бункерах, забивание стержневых элементов и др.);
  • группа Б – безударная передача силовых импульсов инструменту или нагрузке совершающим рабочий ход якорем, при которой их перемещения совпадают или близки (прессование кип, кормораздача тросовыми или штанговыми транспортерами и др.);
  • группа В – колебательное движение якоря двигателя с относительно большой частотой и малой амплитудой, обеспечивающее вибрацию рабочего инструмента или среды.

Рассматриваются технические средства стационарного и мобильного исполнения для характерных операций, выполняемых в сельскохозяйственных или перерабатывающих производствах, строительных организациях и предприятиях и  оцениваются перспективы применения систем с импульсными электромагнитными машинами в процессах и технологиях в агропромышленном комплексе.

Сопоставлены свойства и уточнены преимущества использования импульсных ЛЭМД для привода побудителей истечения сыпучих продуктов при разгрузке бункеров, ударных машин для забивки стержневых заземлителей, шпунта, стоек изгородей загонов для скота, культурных пастбищ и т.п. Кратко оценены достигнутый уровень и показатели известных электромагнитных машин различного назначения, предложена обобщенная структурная схема электромагнитной  импульсной системы  (рисунок 2). Определены перспективные направления в решении задач повышения эффективности существующих или разработки новых систем с электромагнитными машинами с улучшенными свойствами для совершенствования технологий и процессов на предприятиях АПК.

2. Линейные электромагнитные двигатели импульсных машин с повышенными энергетическими показателями. Важным вопросом при создании импульсных электромагнитных машин, особенно мобильных или переносных, является выбор двигателя, обеспечивающий в условиях конструктивных ограничений на объем и массу активных материалов, мощность и энергоемкость источника питания, приемлемую экономичность и энергетические показатели всей системы. Перспективными, с этой точки зрения, представляются однообмоточные ЛЭМД цилиндрической структуры с упругим возвратным элементом, единичный рабочий цикл которых состоит из совокупности интервалов аккумулирования потенциальной, магнитной, кинетической энергии в упругих, индуктивных, инерционных накопительных элементах машины и последующего преобразования ее в механическую работу.

Так как все энергетические процессы  и режимы ЛЭМД обусловлены аккумулированием энергии, то целенаправленное воздействие различными способами на ее накопление в элементах двигателя в течение цикла принято в работе определяющим направлением повышения удельных показателей импульсных электромагнитных машин.

Фундаментальный принцип неоднородности участвующего в преобразовании электрической энергии в механическую силового магнитного поля является теоретической основой повышения эффективности ЛЭМД. При этом работа якоря на конечном перемещении тем больше, чем выше сила тяги, определяемая градиентом потенциальной энергии и неоднородностью магнитного поля. Наиболее полная реализация этого фундаментального принципа имеет место в магнитных системах, где обеспечивается лучшее использование магнитного потока, увеличение площади рабочего зазора и поверхности якоря, взаимодействующей с ярмом, меньшее число паразитных зазоров. ЛЭМД броневой цилиндрической структуры, в которых учтены эти особенности и приняты к исследованию, показаны на рисунке 3.

а)  б)

Рисунок 4. Функциональные схемы и диаграммы рабочих процессов импульсных электромагнитных однообмоточных машин: а) рабочий ход – электромагнит; холостой ход – пружина; б) с пружинным и гравитационным накопителем; 1 – устройство передачи энергии; 2 – боек; 3 – стержень; 4 – корпус статора; 5 – обмотка; 6 – пружина.

Для импульсных электромагнитных машин оценивается предпочтительность реализации рабочего и возвратного движений якоря в энергопреобразовательном цикле ЛЭМД под действием электромагнитных сил или упругого аккумулирующего звена (рисунок 4).

Для конструктивной схемы (рисунок 4, а) мгновенные значения действующих на боек результирующих сил на этапе рабочего и холостого хода определяются уравнениями:

  (1)

где g - ускорение свободного падения. Для работы машины необходимо, чтобы  >fпр;  fпр>mg.

Для конструктивной схемы (рисунок 4, б) мгновенные значения действующих на боек результирующих сил на этапе рабочего и холостого хода заданы выражениями:

(2)

Необходимым условием работоспособности машины является  >fпр+mg. При этом вся работа, совершаемая в период холостого хода за счет электромагнитной силы, идет на зарядку аккумуляторов: пружинного и гравитационного. 

Исследовано влияние предварительного нагружения неподвижного, на этапе трогания, якоря как эффективного способа улучшения характеристик ЛЭМД импульсных машин с одиночными (редкими) срабатываниями якоря.

Если характеристика намагничивания 0δ1 при начальном зазоре δ1 якоря и момент его трогания соответствует току в обмотке (рисунок 5, а), то к началу механического движения в ЛЭМД аккумулируется магнитная энергия, определяемая площадью S треугольника , а механическая энергия к окончанию цикла и остановке якоря в положении 0δ2 – площадью . Подгрузив в исходном положении якорь силой Fп(δ) (рисунок 5, б)

  (3)

и увеличив этим ток трогания до I1, повышают механическую энергию в цикле до =+ (рисунок 5, а).

Представленные в относительных единицах характеристики цикла при базисных значениях  (время свободного падения якоря  массой М с высоты δ1); Мgδ1 (потенциальная энергия):

,               (4)

.                 (5)

Для цикла =const, соответственно:

,       (6) ,  (7)

где – относительное начальное противодействующее усилие; m=L2/L1, k=I1/I2 – соответственно кратности изменения индуктивности и тока обмотки; m>k>1.

Обоснованы принципиальные схемы построения цилиндрических двухзазорных линейных электромагнитных двигателей с интегрированными устройствами нагружения, имеющих, по сравнению с известными, повышенные в 1,3…1,5 раза выходные показатели (рисунок 6).

3. Энергопреобразование в рабочих циклах импульсных электромагнитных машин. Глава посвящена аналитическому исследованию единичного цикла линейного электромагнитного двигателя и выявлению условий повышения эффективности энергопреобразования в импульсном ЛЭМД. Свойственная энергопреобразовательным циклам такого двигателя двухстадийность позволила представить его при анализе совокупностью электрической, магнитной и механической подсистем и разделить цикл на процессы, которые сопровождают интервалы трогания и движения якоря ЛЭМД. Для анализа закономерностей энергопреобразовательных процессов каждого интервала цикла, определяемых условиями изменения во времени потокосцепления и тока обмотки ЛЭМД, использованы энергетические диаграммы, построенные в осях «потокосцеплениеψ – ток i» (рисунок 7).

Для интерпретации состояния электромагнитной машины на ψ–i диаграмме единая совокупность одновременных явлений при работе ЛЭМД условно разделена на процессы, определяющие состояние электрической, магнитной и механической систем двигателя, рассматриваемые раздельно. Получены выражения для оценки относительных значений мощности, поступающей в каждую подсистему двигателя в любой момент цикла:

, (8)

, (9)

,  (10)

где =180–2–.

Для насыщенной и ненасыщенной магнитной цепи оценено влияние изменения параметров двигателя в цикле на механическую мощность движения якоря и определены условия достижения ее максимума. Показана взаимосвязь показателей энергопреобразования с величиной противо-ЭДС обмотки ЛЭМД, которая сопровождает изменения намагничивающего тока в течение цикла и позволяет оценивать эффективность энергопреобразования.

Часть механической энергии рабочего хода якоря аккумулируется в пружине и обеспечивает его возврат по окончании питающего импульса. Для ЛЭМД импульсных машин с непрерывными ходами рекуперация и использование части этой энергии представляется одним из способов повышения их эффективности. При реализации в ЛЭМД режима динамического накопителя характерным представляется рабочий цикл с увеличивающимся потокосцеплением и током – ψ1<ψ2; I1

,  (11)

где Wc, Aмех, Q, Wм, Ам – соответственно, электрическая энергия источника, механическая работа, направленная против сил магнитного поля, потери в меди обмотки, составляющие энергии магнитного поля, преобразованные из электрической  и  механической  энергии.  Процесс  динамического  аккуму-

лирования магнитной энергии на этапе возврата якоря пружиной представляется в виде

,                                (12)

где u, i, fn – мгновенные значения напряжения, тока, усилия пружины; R – активное сопротивление обмотки; х – перемещение якоря, и правая часть уравнения (12) определяет величину магнитной энергии к началу периода рабочего хода якоря.

При этом связь преобразованной из механической и запасенной в магнитном поле ЛЭМД энергии (площадь треугольника ОАВ, рисунок 8) с начальной магнитной W0 энергией (площадь треугольника ОА1): , а уравнение энергобаланса для каждого последующего, начиная со второго, рабочего хода якоря:

,        (13)

где fэ, V – мгновенные значения электромагнитной силы, скорости якоря.

Таким образом, энергия магнитного поля, запасенная системой в период холостого хода за интервал времени t1 – t2, и электрическая энергия, поступающая из сети в период рабочего хода t2 – t3, расходуется на совершение механической работы, увеличение потенциальной энергии возвратной пружины и на изменение энергии магнитного поля ЛЭМД. Такой рабочий цикл повышает выходную механическую энергию и является предпочтительным для мобильных и переносных электромагнитных импульсных машин на предприятиях агропромышленного комплекса.

Для машин с непрерывными ходами предложена функциональная схема реализации рабочих циклов с рекуперацией и аккумулированием магнитной энергии на этапе на этапе возврата якоря пружиной.

4. Взаимодействие импульсных электромагнитных машин с мобильными электроисточниками и устройствами питания и управления. В главе рассматривается взаимодействие импульсных электромагнитных машин с источниками питания.

Необходимые для работы ЛЭМД выбранного типа униполярные импульсы напряжения и тока не могут быть получены при непосредственном подключении обмотки к зажимам источника и формируются специальным устройством питания и управления (ЭП). На предприятиях АПК импульсные электромагнитные машины в стационарном или мобильном, переносном ис

полнении подключаются к источникам одно- или трехфазного переменного напряжения, в том числе, передвижным бензогенераторам. Для этих источников разработаны на базе однополупериодных управляемых выпрямителей устройства, реализующие единичные или непрерывные срабатывания и регулирование параметров механического движения якоря ЛЭМД. Для одноударных машин предложен ЭП, обеспечивающий, дополнительно, регулируемое электромагнитное подгружение неподвижного, на этапе трогания, якоря и повышение выходных показателей (рисунок 9).

       В отличие от ЭП переменного тока, для источников с аккумуляторами требуются более сложные преобразователи, где в каждом цикле срабатывания ЛЭМД необходима искусственная коммутация силовых полупроводниковых ключей. Предложены и исследованы эффективные ЭП с переменной, зависящей от тока машины, коммутационной способностью, где обеспечивается надежное запирание переключающихся элементов при изменяющихся в процессе работы свойствах источника. Исследованы динамические характеристики энергопреобразовательного цикла электромагнитной машины, подключенной к бензогенератору (рисунок 10), и выполнена сравнительная оценка изменения выходных показателей машины при питании от сети или бензогенераторов (рисунок 11).

Применение аккумуляторных источников для работы с мобильными, переносными импульсными электромагнитными машинами позволяет существенно расширить области их эффективного использования на объектах АПК. Поскольку характеристики аккумуляторов неоднозначны и существенно зависят от характера нагрузки, нормированного разрядного тока, условий окружающей среды и т.д. исследовано влияние импульсной электромагнитной машины на показатели свинцовых и щелочных батарей источника. Предложена функциональная схема (рисунок 12) и дана приближенная аналитическая оценка целесообразности использования промежуточных накопителей энергии для уменьшения влияния нормированного разрядного тока на показатели аккумуляторного источника.

5. Рабочие процессы импульсных машин и систем с линейными электромагнитными двигателями.  Экспериментальные исследования машин и систем с импульсными ЛЭМД предполагали: оценку их предельных возможностей по силовым и энергетическим показателям статического режима и влияния конфигурации и конструктивных параметров магнитной системы двигателей на эти показатели; измерение и сравнительную оценку выходных энергетических показателей мобильных машин в рабочих режимах ; изучение особенностей энергопреобразования в ЛЭМД импульсных машин и определение закономерностей влияния на его эффективность режимных, конструктивных, технологических параметров и систем питания для выработки обоснованных рекомендаций по их рациональному выбору; проверку практической пригодности и эксплуатационных свойств рабочих машин с импульсными ЛЭМД, электрических преобразователей и источников питания.

По результатам анализа статического режима оценено влияние характерных элементов магнитной системы двигателя на форму статической характеристики, интегральную работу, развиваемую максимальную электромагнитную силу, обоснованы соотношения размеров этих элементов. Статические характеристики ЛЭМД машин с аккумуляторным питанием получены, в отличие от известных, при значениях намагничивающего тока в обмотке, соответствующих рабочим режимам импульсных систем.

С целью определения рациональной длины разгона якоря в ЛЭМД ударных машин проведена оценка влияния хода якоря на электрические, магнитные и механические показатели двигателя (рисунок 13). Изучена взаимосвязь между длиной рабочего хода и значением объемной плотности энергии, аккумулируемой в воздушных зазорах ЛЭМД (рисунок 14). Полученные экспериментально динамические характеристики рабочих циклов позволили оценить влияние и уточнить значения конструктивных, режимных и других факторов на выходные энергетические показатели машины, определить их сочетания, обеспечивающие максимальную выходную энергию или КПД.

Для однообмоточных электромагнитных двигателей машин с автоколебаниями якоря выполнена экспериментальная проверка реализованного режима динамического накопителя энергии, повысившего эффективность энергопреобразовательных циклов ЛЭМД за счет одновременного увеличения выходной механической энергии, ударной мощности и КПД в среднем, в 1,3 раза (рисунок 15). Исследованы рабочие процессы электромагнитной машины, питаемой от импульсного источника с конденсаторным накопителем с повышенной, на три порядка, по сравнению с известными устройствами, емкостью и обеспечивающего электрический режим двигателя, схожий с питанием от аккумуляторного источника (рисунок 16).

Анализ рассматриваемых многофакторных систем проведен, в том числе, с использованием теории планирования экспериментов. Основные характеристики плана эксперимента при исследовании зависимостей Ау=f(С, U, z,); n= f(С, U, z,); = f(С, U, z,) представлены в таблице 2.

Таблица 2

Основные характеристики плана эксперимента

Характеристика

Емкость накопителя,

С, Ф

Напряжение, U, В

Жесткость пружины, z, Н/м

Основной уровень

Со, Uо, zо

0,07

0

85

0

800

0

Интервал варьирования, С, U, z

0,06

35

300

Верхний уровень

Сmax, Umax, zmax

0,13

+1

120

+1

1100

+1

Нижний уровень

Сmin, Umin, zmin

0,01

–1

50

–1

500

–1

Окончательный, после упрощения, вид регрессионного уравнения для механической энергии импульсной машины:

Ау=45,46+35,83+37,8–3,57+

+32,587–4,88–3,68+6,95,             (14)

а поверхность отклика при z на уровне «­–1» показана на рисунке 20. Значения выходной механической энергии, найденные по выражению (14) удовлетворяют экспериментальным данным с погрешностью менее 9 %. Определены регрессионные полиномы для других энергетических показателей электромагнитной машины.

Проведено сравнение эффективности рабочих циклов электромагнитных машин при одно- и многоимпульсном разряде на обмотку секционированного накопителя на интервале единичного срабатывания якоря ЛЭМД (рисунки 17–19). Приведены результаты экспериментальных исследований процессов нагревания–охлаждения импульсной электромагнитной машины с аккумуляторным питанием и уточнены фактические значения основных теплофизических параметров машины.

6. Расчёт и проектирование импульсных электромагнитных машин и их элементов. При создании импульсных машин с линейными электромагнитными двигателями важной представляется задача как по расчету и проектированию самих двигателей, так и обоснованию параметров встроенных устройств и механизмов для передачи выходной энергии инструменту или среде. Все предлагаемые в работе импульсные машины имеют в основе ЛЭМД одного типа. Однако длина рабочих зазоров, ход якоря, способ взаимодействия с объектом, исполнение, функциональные и технологические особенности существенно разнятся и определяются назначением машины. В связи с этим обосновываются компоновка и кинематические схемы машин для заявленных применений (рисунок 21) и оцениваются возможности выбранных двигателей по созданию тех или иных машин.

  Для броневого цилиндрического ЛЭМД с увеличенной  длиной рабочих  воздушных  зазоров рассмотрено математическое описание магнитной цепи и основных статических характеристик – магнитодвижущей силы обмотки и потокосцепления для характерных диапазонов изменения зазора, определяемых соответствующими граничными условиями. На основе интегрально-энергетического подхода, с использованием принципа взаимности предложен проектный метод расчета основных конструктивных показателей электромагнитных двигателей импульсных машин, применяемых в АПК.

При увеличенном рабочем ходе (2r1) интегральную работу машины (рисунок 22) можно представить слагаемыми

А=  (15)

С учетом принятых относительных и базисных величин и аппроксимации кри­вой намагничивания полиномом:

, (16)

где ; , – относительные значения намагничивающей силы обмотки и магнитной индукции магнитопровода; В– базисное  значение индукции; – относительная длина обмотки (рисунок 22); – потокосцепление, соответствующее начальному рабочему зазору короткоходового ЛЭМД; – базисный размер магнитопровода ЛЭМД.

Если величина , получаемая за счет увеличения рабочего хода якоря ЛЭМД (рисунок 22):

(17)

где  - индуктивность машины при зазоре и соответственно, ; – сечение якоря; w – число витков обмотки; ;  ,  – начальный рабочий зазор короткоходового и длинноходового ЛЭМД, то после преобразований:

    (18)

Определив взаимосвязь Аи с плотностью тока jm в обмотке, максимальной индукцией Вm и положив Аи=2Ау, получим определяющий размер r1 ЛЭМД:

  (19)

где Ау – выходная механическая энергия машины; kc, kок – коэффициенты заполнения магнитопровода, окна, соответственно; ц – коэффициент эффективности магнитного цикла.

Для электромагнитных ударных машин для забивания стержневых элементов предложен основанный на энергетическом подходе метод приближенной оценки потребной энергии воздействия и продолжительности погружения стержня, определяемых его геометрией и свойствами грунта. Приведены приближенные методы оценки режимов работы импульсных электромагнитных машин с учетом допустимой мощности потерь. Сформулированы рекомендации по определению геометрических характеристик зажимных механизмов электромагнитных машин со сквозным осевым каналом (рисунок 23, б) и рассмотрены подходы по согласованию или обеспечению эффективной передачи энергии ударных импульсов в грунт (рисунок 23, а), необходимые при разработке систем для инженерных изысканий в АПК или малоглубинной сейсморазведки в сельской местности.

7. Результаты создания систем с электромагнитными машинами для импульсных технологий. Результаты проведенных исследований позволили создать на базе броневых цилиндрических однообмоточных двухзазорных ЛЭМД импульсные электромагнитные машины и системы, в том числе, мобильного, переносного и навесного исполнения для сводообрушения, торцевой и неторцевой забивки стержневых элементов, динамического зондирования грунтов, импульсной наземной сейсморазведки малых глубин и другого назначения. Новизна примененных при создании этих систем и их элементов технических решений подтверждена авторскими свидетельствами, патентами на изобретения и полезные модели. Общий вид или конструкции воплощенных на практике изделий, прошедших полевые и производственные испытания, представлены на рисунках 24,25,26.

В качестве примера импульсной безударной машины с любым необходимым линейным перемещением выходного штока, представлен шаговый ЛЭМД, предназначенный для установок отжимания сока и других подобных изделий (рисунок 24). Из машин ударного действия стационарного исполнения представлены импульсные побудители истечения для разгрузки бункеров (рисунок 25), где линейный двигатель оснащен вспомогательным электромагнитом подгружения и обеспечиваются дополнительные возможности в управлении механическим движением не только по электрическому, но и по механическому каналу.

В таблицу 3 сведены результаты оценки среднего потребления электроэнергии для предотвращения различными устройствами сводообразования муки в бункерах, подтвержденные производственными испытаниями.

Таблица 3

Среднее потребление электрической энергии

при разрушении устойчивого свода

Тип сводообрушителя

Электровибратор

С-375, С-793,

С-482

Резонансный виброобрушитель ЭРВС

Электромеханический вибратор

ИВ-104Н

Импульсная электромагнитная система

Потребление эл.энергии, кДж

108

99

72

0,3

Из мобильных, с автономным питанием, рассмотрены переносные частоударные машины с осевым каналом и зажимным механизмом для забивания-выдергивания продольно-неустойчивых стержней и т.п., питаемые от аккумуляторных источников (рисунок 26,а). Для этой машины в таблице 4 приведены сравнения энергозатрат и продолжительности погружения стержневых элементов заданной геометрии традиционными изделиями и созданными импульсными электромагнитными машинами.

В зажимной механизм вместо стержня, при необходимости, устанавливается сменный рабочий инструмент (заостренный, плоский, с режущей рабочей кромкой и др.), что повышает функциональность устройства. Машины с энергией удара Ау на 200 – 500 Дж, выполненные по такой конструктивной схеме переносными, удобны для забивания металлических труб диаметром 50 – 70 мм при устройстве индивидуального водоснабжения, например, неглубоких абиссинских колодцев в стесненных условиях дачных и личных подсобных хозяйств.

На рисунке 26,б в качестве примера приведена система с редкоударной навесной машиной с аккумулярно-конденсаторным питанием для проведения инженерных изысканий или импульсной малоглубинной сейсморазведки. Разработаны и испытаны на практике системы такой же комплектации в переносном исполнении.

Таблица 4

Среднее потребление электрической энергии при погружении

металлического стержневого элемента  в грунт 

Тип ударной

машины

Электро-заглубитель

ПЗ-12

Электро-

погружатель

С-414

Электро-

погружатель

С-642

Ударная машина с ЛЭМД

Время погружения стержневого элемента t, с

300

220

150

90

Потребление электрической энергии, кДж

180

176

180

100

Приведены результаты производственных испытаний некоторых из созданных импульсных электромагнитных систем и краткая технико-экономическая оценка их внедрения. В частности, результаты расчета эффективности применения системы для погружения стержневых элементов представлены в таблице 5.

Таблица 5

Расчет экономической эффективности

Показатели

Годы

0

1

2

3

4

5

Приток, тыс. руб.

Дополнительный доход

0

98,7

98,7

98,7

98,7

98,7

Отток, тыс. руб.

Капиталовложения

35

Эксплуатационные расходы ПЭМК

21,32

21,32

21,32

21,32

21,32

Результаты, тыс. руб.

Текущая разность

-35

77,38

77,38

77,38

77,38

77,38

Дисконтный множитель

1

0,909

0,826

0,751

0,683

0,621

Приведенная разность

-35

70,34

63,92

58,11

52,85

48,05

ЧДД

258,6

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

       Исследования, обобщенные в диссертации, направлены на становление, развитие и решение крупной научно-технической проблемы создания и совершенствования импульсных электромагнитных машин и систем на их основе, в том числе, мобильных, с автономным питанием, для процессов и технологий предприятий или объектов агропромышленного комплекса.

Основные научные и практические результаты исследований состоят в следующем:

1. Развито представление о силовой электромагнитной импульсной системе и сформулировано понятие мобильной автономной электромагнитной импульсной системы как функционального единства ограниченных по массе (m100 кг), габаритам (V0,5 м3) и мощности (Р10 кВт) источника питания, рабочей машины с ЛЭМД и согласующего их взаимодействие электрического преобразователя, которое повышает эффективность решения целого ряда практических задач в АПК.

2. Обоснован и практически подтвержден тезис об универсальности магнитной системы и конструкции броневого цилиндрического двухзазорного электромагнитного двигателя, позволяющей сменой способа вывода механической мощности и выбором длины рабочего хода якоря создавать машины и импульсные системы для ударных А (побудители истечения продукта из бункеров, погружение стержневых заземлителей электроустановок и катодной защиты при электрификации и газификации села, устройство малодебитных водяных скважин, техизыскания на воду, реконструкция или возведение сельхозобъектов, малоглубинная сейсморазведка в сельской местности) и неударных Б (отжимание сока, прессование шерсти, приводы штанговых и тросовых транспортеров, подача электродной проволоки в зону наплавки при ремонте сельхозтехники)  технологий АПК.

               Для технологий группы А

3. Для этапов трогания и срабатывания единичного энергопреобразовательного цикла и совокупности непрерывных последовательных циклов аналитически исследована взаимосвязь характеристик ЛЭМД и эффективности аккумулирования энергии в двигателе и установлено, что ее рекуперация из механической системы машины в магнитную при холостом ходе якоря позволяет в следующем его рабочем ходе увеличить выходные энергетические показатели машины, в среднем, в 1,3 раза.

4. Стартерные аккумуляторы и переносные бензоагрегаты, оснащенные конденсаторными накопителями фарадной емкости, позволяют создавать импульсные источники с необходимыми показателями для питания электромагнитных машин кратковременного, повторно-кратковременного и продолжительного режима с выходной энергией Ау=0,05…0,8 кДж и частотой ходов n=0,2…10 с-1. 

5. Питаемая от стартерных аккумуляторов переносная электромагнитная ударная машина кратковременного режима обеспечивает сопоставимые с пневмо- и гидроударниками выходные показатели при номинальной емкости батареи Сн на единицу массы m машины Сн/m=1,1…1,5 А·ч/кг и удельном напряжении на обмотке Uн/w=0,8…1,5 В/виток.

6. Обосновано применение низковольтных конденсаторных накопителей фарадной и многофарадной емкости при передаче энергии источника двигателю, обеспечивающее эффективные энергопреобразовательные процессы импульсных ЛЭМД и высокие выходные характеристики переносных электромагнитных машин при одновременном многократном снижении мощности первичного источника – бензоагрегата или аккумуляторной батареи.

7. Батарея электролитических конденсаторов фарадной и более емкости при разряде на обмотку импульсного ЛЭМД с выходной энергией Ау0,8 кДж развивает удельную мощность до 0,75 кВт на кг массы машины и формирует униполярные питающие импульсы с необходимыми параметрами при единичных (n0,2 с-1) и непрерывных (n10 с-1) срабатываниях, обеспечивая режим питания электромагнитной машины, схожий с аккумуляторным при собственных удельных показателях 0,2 кДж/кг и 80 кДж/м3.

8. Разработаны, на уровне изобретений, электрические преобразователи, обеспечивающие регулируемые нагружение и искусственную задержку при трогании якоря, позволяющие за счет увеличения уровня аккумулируемой в двигателе магнитной энергии повысить его выходную энергию в 1,3–1,5 раза и эффективность электромагнитных импульсных машин.

9. Выявлены и реализованы рабочие циклы ЛЭМД импульсных машин с сочетанием энергопреобразовательных режимов, обеспечивающим увеличение выходных энергетических показателей при одновременном снижении энергопотребления от источника. Разработан, на уровне изобретений, способ управления электромагнитной машины с автоколебаниями якоря, обеспечивающий, за счёт обратной связи по его координате, на рабочем ходе – предотвращение режима короткого замыкания двигателя, на холостом – устойчивый режим динамического индуктивного накопителя и повышение в цикле механической энергии, ударной мощности и КПД в 1,24; 1,5; 1,2 раза соответственно.

               Для технологий групп А, Б

10. Установлено, что предложенные принципиальные схемы и конструкции цилиндрических ЛЭМД, в том числе, со сквозным осевым каналом, позволяют не только разрабатывать импульсные машины с новыми свойствами и улучшенными характеристиками, но и создавать на базе этих машин мобильные, в том числе, переносные электротехнические комплексы для различных применений в АПК, оснащая их аккумуляторными, конденсаторными или комбинированными устройствами питания с ограниченными габаритами, массой и мощностью.

11. Кинематическое разделение якоря и элемента вывода механической мощности из ЛЭМД позволяет при создании электромагнитных машин преодолеть  противоречия,  определяемые ограниченным  ходом якоря и су-

щественной нелинейностью силовой характеристики и повысить функциональность импульсных электромагнитных машин.

12. Предложен способ передачи механической мощности от якоря двигателя выходному элементу и принципиальные схемы электромагнитных машин со сквозным осевым каналом, применение которого позволяет создавать линейные электромагнитные двигатели машин для ударных и неударных технологий с любыми необходимыми осевыми перемещениями выходного элемента при ограниченном ходе якоря и передаче его механической мощности к элементу в неторцевом произвольном сечении элемента.

13. В линейных двигателях неударных машин выходные элементы в виде зубчатых или гладких штанг или тросов, перемещаемые на каждом рабочем ходе якорем на величину , позволяют реализовывать любые результирующие перемещения n·, n=1, 2,… при неизменном, на всей длине n·, среднем усилии Fср=const, величина которого тем меньше отличается от начального – конечного усилия двигателя на ходе , чем короче рабочий ход якоря.

14. Предложены инженерные методы расчета основных энергетических характеристик и конструктивных размеров ЛЭМД; рассмотрены методические принципы определения параметров устройств передачи механической энергии двигателя нагрузке, отличающиеся простотой математического аппарата и сокращающие время на проектирование машин и оборудования для процессов и технологий АПК.

15. На основе выполненных исследований созданы и испытаны в лабораториях, производственных и полевых условиях силовые системы с импульсными электромагнитными машинами с выходной энергией 0,04 – 0,8 кДж. Применение этих машин в АПК, в частности, для интенсификации выгрузки сыпучих материалов из бункеров, создания неглубоких трубчатых водяных колодцев в фермерских хозяйствах, выполнения заземляющих устройств в сельских электроустановках, изготовления изгородей при обустройстве пастбищ и т.д. повышает эффективность ведения работ за счет электромеханизации ручного труда, обеспечивает экологичность, безопасность и качество выполнения операций. При этом, создание мобильных, в том числе, переносных электромагнитных систем с ЛЭМД оказалось возможным благодаря повышению удельной выходной механической энергии импульсных машин до 5–7 Дж/кг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАНО

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

        1. Усанов, К.М. Силовая электромагнитная импульсная система для погружения стержневых элементов в грунт / Усанов К.М., Каргин В.А. // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова.– 2005.–№ 3. – С.59–61. (0,19/0,15 п.л.).
        2. Усанов, К.М. Тиристорный преобразователь для управления линейным импульсным электрическим двигателем с электромагнитным узлом статического нагружения якоря / К.М. Усанов, А.В. Волгин, В.И. Мошкин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – 2005.– № 4. – С.51–54. (0,25/0,20 п.л.).
        3. Усанов, К.М. Преобразователь сигналов датчика предударной скорости бойка импульсной ударной машины / К.М. Усанов, В.А. Каргин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова.– 2007.–№ 2.– С.56–57. (0,5/0,3 п.л.).
        4. Усанов, К.М. Линейный шаговый электромагнитный двигатель в приводе машин для прессования материалов / К.М. Усанов, А.В. Львицын, А.В. Волгин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова.– 2007.–№ 3.– С. 61–62. (0,5/0,3 п.л.).
        5. Усанов, К.М. Оценка продолжительности погружения стержневых элементов в грунт электромагнитной  ударной машиной / К.М. Усанов, В.А. Каргин, А.В. Волгин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова.– 2008.– № 3. ­­– С.70–72. (0,44/0,3 п.л.).
        6. Усанов, К.М. Оценка эффективности энергопреобразований в электромагнитной ударной машине с упругим возвратным элементом / К.М. Усанов, В.А. Каргин, А.В. Волгин // Труды Кубанского государственного аграрного университета: серия Агроинженер. – 2008.– № 1.– С.86–87. (0,36/0,26 п.л.).
        7. Усанов, К.М. Электромагнитные машины с осевым каналом в процессах и технологиях АПК / К.М. Усанов, А.П. Моисеев // Механизация и электрификация сельского хозяйства.– 2008. – №5. – С. 31–33.(0,46/0,30 п.л.).
        8. Усанов, К.М. Линейный импульсный электромагнитный привод машин с автономным питанием / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, В.И. Мошкин.– Курган: Изд-во Курганского госуниверситета, 2006. – 284с. (18/16 п.л.).
        9. Усанов, К.М. Рабочие процессы линейных электромагнитных двигателей с высоким использованием электромагнитной энергии / К.М. Усанов, А.В. Львицын, В.И. Мошкин, Г.Г. Угаров // В сб. «Вопросы теории и проектирования электрических машин». – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та,  1987. Вып. 6. – С.10–15. (0,15/0,02 п.л.).
        10. Усанов, К.М. Исследование влияния конструктивных факторов на показатели линейных электромагнитных двигателей с двумя рабочими зазорами/ К.М. Усанов, А.В. Львицын, Г.Г. Угаров. – Сарат. ин-т механизации с.х. им. М.И. Калинина, Саратов, 1987. – 6 с. – Деп. в Информэлектро, № 882-ЭТ.(0,15/0,07 п.л.).
        11. Усанов, К.М. Результаты исследования динамики электромагнитных вибровозбудителей гибридного типа / К.М.Усанов, Г.Г. Угаров,  В.Н. Федонин : тезисы Всесоюзной конф. по вибрационной технике.– Тбилиси: «Мецниереба», 1987. – С. 45.(0,02/0,01 п.л.).
        12. Усанов, К.М. Исследование динамики электропривода переносных молотов / К.М. Усанов, А.В. Львицын // Повышение эффективности использования электропривода в с.х. производстве: тезисы Всесоюзной научно-технической конф. – Челябинск, 1989. – С. 20­–21.(0,02/0,01 п.л.).
        13. Усанов, К.М. Гибридные линейные электромагнитные двигатели цилиндрической структуры с двумя рабочими зазорами / К.М. Усанов, А.В. Львицын, В.Н. Федонин // Электромагнитные импульсные системы : сб. науч. тр. – Новосибирск: Изд–во ИГД СО АН СССР, 1989.– С. 45–50.(0,15/0,08 п.л.).
        14. Усанов, К.М. Выбор параметров аккумуляторных источников электропитания переносных электромагнитных мо­лотов / К.М. Усанов, А.В. Львицын // Повышение эффективности использования электричес­кого оборудования в АПК: сб. науч. тр.; Сарат. с.-х. ин-т им.Н.И. Вавилова.– Саратов, 1991. – С. 74–83.(0,15/0,08 п.л.).
        15. Усанов, К.М. Выбор электрического автономного источника питания для переносных электромагнитных молотов / К.М. Усанов, А.В. Львицын // Импульсные линейные электрические двигатели: сб. науч. тр. – Новоси­бирск: ИГД СО АН СССР, 1991. – С. 148–153.(0,17/0,12 п.л.).
        16. Усанов, К.М. Выбор возвратной пружины для переносных электромагнитных молотов / К.М. Усанов, А.В. Львицын // Повышение эффективности использования электрического оборудования в АПК: сб. науч. тр.; Сарат. с.х. ин-т им. Н.И. Вавилова. – Саратов, 1991. – С. 69–74.(0,13/0,07 п.л.).
        17. Усанов, К.М. Исследование динамики переносных электромагнитных молотов / К.М. Усанов, А.В. Львицын // Импульсные линейные электрические двигатели: сб. науч. тр. – Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991. – С. 109 – 112.(0,15/0,10 п.л.).
        18. Усанов, К.М. Режимы форсированного накопления магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях / Г.Г. Угаров, К.М.  Усанов, В.И. Мошкин  // Доклады 10ой  научно-технической конференции «Электроприводы переменного  тока».– Екатеринбург, 1995.(0,7/0,1 п.л.).
        19. Усанов, К.М. Рабочий цикл электромагнитной ударной машины с аккумулированием магнитной энергии в период холостого хода / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. – 1997.– №3. – С. 76–80.(0,8/0,27 п.л.).
        20. Усанов, К.М. Конструкции линейных электромагнитных двигателей ударных машин с интегрированными устройствами форсированного аккумулирования магнитной энергии /  К.М. Усанов,  Г.Г. Угаров,  В.Ю. Нейман // Научные  проблемы мелиорации  и  электрификации  сельского хозяйства в зоне Нижнего Поволжья: сб. науч. тр. – Саратов, 1999. – С. 110–118.(0,3/0,1 п.л.).
        21. Усанов, К.М. Предельная удельная энергия импульсного линейного электромагнитного двигателя при единичном срабатывании / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров,  В.Ю. Нейман // Научные проблемы мелиорации и электрификации сельского хозяйства в зоне Нижнего Поволжья: сб. науч. тр. – Саратов, 1999. – С.118–122.(0,15/0,05 п.л.).
        22. Усанов, К.М. Конструктивные схемы импульсных линейных электромагнитных двигателей с динамическим аккумулированием магнитной энергии / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров,  В.Ю. Нейман // Совершенствование технических средств электрического транспорта. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – С. 122–125.(0,25/0,20 п.л.).
        23. Усанов, К.М. Переносной электромагнитный ударный привод / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман // Совершенствование технических средств электрического транспорта. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – С. 164–170.(0,44/0,30 п.л.).
        24. Усанов, К.М. Сравнительный анализ конструктивных схем ударных машин с электромагнитным приводом / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров,  В.Ю. Нейман,  И.В. Трубенкова // Совершенствование технических средств электрического транспорта. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001, Вып.3.– С. 171–175.(0,31/0,20 п.л.).
        25. Усанов, К.М. Автономная ударная машина с электромагнитным двигателем для устройства неглубоких малодебитных скважин индивидуального водоснабжения / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, И.В. Трубенкова // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: материалы Всероссийской конференции. – Камышин, 2002.–С.40.(0,1/0,05 п.л.).
        26. Усанов, К.М. Комбинированный  источник питания  импульсного электромагнитного генератора сейсмических  колебаний / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, Селезнев В.А. //  Прогрессивные  технологии в  обучении и  производстве: материалы  Всероссийской конференции. – Камышин, 2002.–С.31.(0,1/0,05 п.л.).
        27. Усанов, К.М. Емкостные накопители энергии в системе электропитания электромагнитной машины ударного действия / Усанов К.М., Угаров Г.Г., Трубенкова И.В., Иняев К.Г., Волгин А.В. // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: материалы II Всероссийской конференции. – Камышин, 2003. –  С. 365–366.(0,13/0,06 п.л.).
        28. Усанов, К.М. Электромагнитная ударная машина для предотвращения зависаний муки в металлических бункерах / Усанов К.М., Угаров Г.Г., Трубенкова И.В., Иняев К.Г., Волгин А.В.// Прогрессивные технологии в обучении и производстве: материалы II Всероссийской конференции. – Камышин, 2003. –  С. 366–367.(0,13/0,06 п.л.).
        29. Усанов, К.М. Принципы повышения эффективности импульсных электромагнитных сейсмоисточников малой мощности для исследования глубин / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, В.А. Селезнев, В.А. Живодров // Приборы и системы разведочной геофизики. – 2003.– № 1.– С. 28–29.(0,13/0,06 п.л.).
        30. Усанов, К.М. Трансформация механической энергии линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) в технологии безотходного терморезания сталей / Ю.Н. Казаков, А.В. Дмитриенко, Г.Г. Угаров, К.М. Усанов // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы:  сб.научных статей в 2 ч.; ч.2. Специальные электрические машины и электромагнитные устройства. – Екатеринбург, 2003.– №5. – С.136–140.(0,33/0,23 п.л.).
        31. Усанов, К.М. Силовые электромеханические импульсные преобразователи электромагнитного типа для ударных воздействий на среду / К.М. Усанов,  Г.Г. Угаров, А.В. Волгин, В.А. Каргин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: тез. докл. в 3х Т. – М.: МЭИ, 2004.– Т.2. – С.70–71.(0,13/0,06 п.л.).
        32. Усанов, К.М. Энергетические показатели линейного электромагнитного двигателя в режиме энергопреобразования при постоянном потокосцеплении / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, А.В. Волгин, В.А. Каргин // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: труды  Всероссийской  научно-технической конференции. – Тольятти: ТГУ, 2004. – С. 27–30.(0,25/0,20 п.л.).
        33. Усанов, К.М. Особенности энергопреобразований электромагнитной ударной машины с конденсаторным питанием / К.М. Усанов, А.В. Волгин, В.А. Каргин // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всероссийской  конференции.– Камышин, 2005.– Т.1.– С. 174–178.(0,33/0,25 п.л.).
        34. Усанов, К.М. Электрический преобразователь сводообрушителя с импульсным  линейным электромагнитным двигателем / К.М. Усанов, А.В. Волгин // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всероссийской  конференции. – Камышин, 2005.–Т.1.– С. 178–180.(0,19/0,15 п.л.).
        35. Усанов, К.М. Расчет статических тяговых характеристик электромагнитной машины ударного действия с использованием ЭВМ / Усанов К.М., Каргин В.А. // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всероссийской конференции. – Камышин, 2005. – Т.1.– С. 181.(0,1/0,05 п.л.).
        36. Усанов, К.М. Рабочий цикл одноударной электромагнитной машины с конденсаторным питанием / К.М. Усанов, Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман // Электротехника, электромеханика и электротехнологии: материалы науч.-техн.  конференции с международным участием. Под. ред. Н.И. Щурова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – С. 39–42.(0,25/0,20 п.л.).
        37. Усанов, К.М. Классификация и анализ устройств для разрушения сводов сыпучих материалов в бункерах/ К.М. Усанов, А.В. Волгин, Ф.Э. Лаппи // Электротехника, электромеханика и электротехнологии: материалы науч.-техн. конференции с международным участием. Под. ред. Н.И. Щурова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – С. 42–46.(0,31/0,20 п.л.).
        38. Усанов, К.М. Электрический преобразователь с емкостным накопителем энергии для питания электромагнитной ударной машины  / К.М. Усанов, В.А. Каргин // Механизация и электрификация сельского хозяйства: материалы конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова.– Саратов: СГАУ, 2006.– С. 81–85.(0,6/0,4).
        39. Усанов, К.М. Импульсная электромагнитная система для интенсификации разгрузки бункеров / К.М. Усанов, А.В. Волгин : материалы Международн. научн-практ. конференции, посвящ. 70-летию со дня рожд. профессора  А.Г. Рыбалко, ч.IV, ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2006.–С. 81–85.(0,3/0,15 п.л.).
        40. Усанов, К.М. Малогабаритный пресс для переработки плодов на сок / К.М. Усанов, А.В. Шкуратов, А.М. Медведев : материалы Международн. научн-практ. конференции, посвящ. 70-летию со дня рожд. профессора  А.Г. Рыбалко, ч.IV, ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2006. – С. 93–95.(0,2/0,07 п.л.).
        41. Усанов, К.М. Оптимизация режима конденсаторного питания линейного электромагнитного двигателя в приводе ударных машин / К.М. Усанов, Д.А. Варыханов, А.А. Егоров, Г.Г. Угаров // Вестник СГТУ.– 2006.–№3 (15) вып.2. – С. 78–84.(0,43/0,11 п.л.).
        42. Усанов, К.М. Энергетические показатели импульсного электромагнитного привода для забивания в грунт стержневых элементов / К.М. Усанов, А.В. Волгин, В.А. Каргин // Вавиловские чтения – 2007: материалы конференции. – Саратов: Научная книга, 2007. – С. 280–281.(0,25/0,15 п.л.).
        43. А.с. 1292046 СССР, МКИ H01F 7/18. Устройство для управления электромагнитом / А.В. Львицын, В.И. Мошкин, Г.Г. Угаров и К.М. Усанов (СССР) – Опубл. 23.02.87. Бюл. №7. с.231.
        44. A.с. 1309249 СССР, МКИ Н02Р 7/62. Устройство для управле­ния электромагнитным двигателем / А.В. Львицын, В.И. Мошкин, Г.Г. Угаров и К.М. Усанов (СССР) – Опубл. 07.05.87. Бюл. №17. с.235.
        45. A.с. 1488951 СССР, МКИ Н02Р 7/62. Устройство для управле­ния электромагнитным двигателем / Э.Ф. Маер, В.И. Мошкин, А.В. Львицын, Г.Г. Угаров и К.М. Усанов (СССР) – Опубл. 23.06,89. Бюл. №23. с.263.
        46. Патент № 2127017 РФ МКИ 6 Н 02 К 33/02. Способ управления однообмоточным линейным электромагнитным двигателем ударного действия / Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман, К.М. Усанов – № 95119633/09; Заявл. 21.11.95; Опубл 27.02.99, Бюл № 6. – 4 с.: ил.
        47. Патент на полезную модель №40331 РФ МПК 7 Е02D 7/02 Устройство ударного действия для забивания в грунт стержневых элементов / Г.Г. Угаров, К.М. Усанов, А.В. Волгин, В.А. Каргин – № 2004115210; Заявл. 24.05.2004; Опубл. 10.09.2004, Бюл. №25. – 2 с.: ил.
        48. Патент на полезную модель RU46893U1, МПК Н02Р 7/62 Устройство для управления однообмоточным электромагнитным двигателем ударного действия / К.М. Усанов, В.И. Мошкин, А.В. Волгин – Опубл. 27.07.2005, Бюл. № 21.
        49. Патент на полезную модель RU59342U1, МПК Н02К 33/02 Линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря / В.И. Мошкин, К.М. Усанов,  А.В. Волгин, В.А. Каргин – Опубл.10.12.2006, Бюл. № 34.
        50. Патент на полезную модель RU59343U1, МПК Н02К 41/03 Линейный шаговый электромагнитный двигатель / В.И. Мошкин, К.М. Усанов, А.В. Волгин, А.В. Львицын – Опубл.10.12.2006, Бюл. № 34.



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.