Россия
Россия
Россия
Казань, Республика Татарстан, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
В современном производстве муки актуальным является сохранение в ней всех витаминов и минеральных веществ. Минеральные вещества и витамины сохраняются в муке, помолотой из цельных зерен. В жерновых мельницах (ЖМ) зерно подвергается многократному воздействию рабочих поверхностей жерновов, вследствие чего мука содержит большой процент важнейших составляющих зерна. Привод ЖМ должен обеспечить низкую частоту вращения жерновов (окружная скорость до 10 м/с) и возможность плавного регулирования его скорости и момента вращения без снижения производительности мельницы. С рассматриваемой точки зрения перспективным является применение в приводе ЖМ вместо асинхронных двигателей вращения с дополнительными устройствами (редукторов, ременных, клиноременных передач и т.п.) плоских асинхронных электроприводов (ПЭП). В статье предложены возможные варианты технических решений ЖМ с ПЭП. Получен вывод о том, что использование в приводе ЖМ плоского асинхронного двигателя (ПАД) позволяет не только плавно регулировать частоту и момент вращения жерновов, но и из-за присутствия краевых эффектов предотвратить залипание муки в рабочей зоне жерновов. Составлена с возможностью решения аналитическими методами математическая модель привода ЖМ на базе ПАД с учетом продольного краевого эффекта, силы вязкого (внутреннего) и сухого (внешнего) трения. Найдены механические характеристики привода при перемещении индукторов ПАД и получены зависимости изменения производительности мельницы от частоты вращения жернова при измельчении разного рода зерна, изменении коэффициента заполнения зоны измельчения и зазора между жерновами.
плоский электропривод, жерновая мельница, частота и моменты вращения, регулирование, плоский асинхронный двигатель
Для ЖМ характерна низкая частота вращения жерновов (окружная линейная скорость до 10 м/с), а также своя рациональная частота, которая требуется для помола определенного рода зерна [1]. Известно, что при помоле ржи производительность ЖМ может уменьшаться на 15 – 20%, по отношению к помолу пшеницы при одной и той же частоте вращения [2]. Используемые в приводе ЖМ электрические двигатели вращения не позволяют получить требуемую низкую частоту вращения без использования дополнительных передаточных устройств (редукторов, ременных, клиноременных передач и т.п.). Попытки плавного регулирования частоты вращения мельницы применением преобразователей частоты питания, значительно ухудшают эксплуатационные, энергетические и массогабаритные характеристики электропривода. Современный привод ЖМ должен обеспечивать не только получение низкой частоты вращения рабочего органа, но и возможность плавного регулирования его частоты и момента вращения без снижения производительности мельницы.
С этой точки зрения перспективным является применение в приводе ЖМ ПАД [3,4,5], обеспечивающего получение регулируемой частоты и момента вращения жерновов без усложнения конструкции самой мельницы, что представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Условия, материалы и методы исследований. Анализ известных работ дает возможность предложить следующие варианты технического решения ЖМ с ПЭП (рисунок 1).Применение ПАД в приводе ЖМ позволяет реализова
ть регулирование частоты и момента вращения двух жерновов, вращающихся в противоположные стороны (рисунок 1, в) [6].
Разработана математическая модель ЖМ с ПЭП [7]. На рисунке 2 представлена обобщенная схема ЖМ с ПЭП.
Уравнение, описывающее движение рабочего органа (жернова) может быть представлено в виде:
где J– момент инерции вторичного элемента ПАД, кг·м2/c2; Fв.тр=β·x – сила вязкого (внутреннего) трения, Н; β – коэффициент вязкого (внутреннего) трения, Н·с/м; x(t)– производная пути перемещения подвижного жернова по времени; Fc.тр – сила сухого (внешнего) трения, Н; R – расположение индукторов ПАД от оси жернова, м; kпр – приведенный коэффициент.
Мельница работает в установившемся режиме, длина ПАД значительно меньше длины окружности вторичного элемента, поэтому для определения силы, развиваемой ПАД, может быть использовано полное уравнение Клосса, составленное по Т – образной схеме замещения асинхронного двигателя [8,9]:
где Fk = 3· I12 · ε0 · R2' / 2 · τ · f1 – критическая сила ПАД, Н; I1– сила тока в индукторе, А; ε0 – добротность двигателя; R2'– приведенное активное сопротивления вторичного элемента, Ом; τ– полюсное деление ПАД, м; f1– частота питающей сети, Гц; sk=1/ε0 – критическое скольжение ПАД; v1 – синхронная скорость ПАД, м/с;
параметр двигателя, определяемый по схеме замещения ПАД; R1 и X1 – активное и реактивное сопротивления фазы индуктора; X2'– приведенное реактивное сопротивление вторичного элемента; Xm – сопротивление взаимоиндукции между индуктором и вторичным элементом.
Особенность ПАД по сравнению с обычными асинхронными двигателями вращения заключается в том, что при его работе возникает продольный краевой эффект (ПКЭ).
Схема замещения ПАД, которая учитывает наличие ПКЭ в ПАД по одномерной модели А.И. Вольдека [10], отличается от обычной Т – образной схемы замещения асинхронного двигателя вращения наличием Zкэ сопротивления в первичной обмотке.
Сопротивление , Zкэ определяется по следующему выражению:
где λ= √η2+ jε0 – комплексное слагаемое; η= ε0/ 2(1 – s) – вещественное число; р – число пар полюсов ПАД; s – скольжение.
Амплитудное значение FПКЭ, обусловленное отраженной волной бегущего магнитного поля имеет вид:
где Rкэ – активная составляющая сопротивления Zкэ, Ом.
Сила вязкого (внутреннего) трения Fв.тр определяется движением потока зерна в рабочей зоне жерновов, которое может быть моделировано, согласно инженерной реологии, течением жидкости при переходе от слоя к слою [12]:
Fв.тр=β·x (5)
где
1. Егоров Г.А. Технологические свойства зерна: учебник / Г.А. Егоров - М.: Агропромиздат, 1985.-334 с.
2. Соколов А.Я. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна: учебное пособие / А.Я. Соколов. - М.:Колос,1967. - 448 с.
3. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей: учебное пособие / С. Ямамура. - Л.: Энергоатомиздат, 1983.- 180с.
4. Laithwaite E.R. Induction Machines for Special Purposes, New York: Chemical Publishing Co. Ltd, 1986, 377pp.
5. Насар С.А. Линейные тяговые электрические машины: учебное пособие /С.А. Насар, И. Болдеа. - М.: Транспорт, 1981. - 176с.
6. Патент № 2546860 Российская Федерация, МПК В02С7/08, В02С7/16. Устройство для измельчения / Аипов Р.С., Нугуманов Р.Р., Линенко А.В.; заявитель и патентообладатель: Р.С. Аипов (RU), Р.Р. Нугуманов (RU), А.В. Линенко (RU) - №2013153279/13; заявлен 29.11.2013; опубликован 10.04.2015, Бюл. № 10. - 7 с.
7. Аипов Р.С. Математическая модель жерновой мельницы с двухсторонним линейным асинхронным двигателем в приводе/ Р.С. Аипов, Р.Р. Нугуманов//Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - №4. - С.27 - 31.
8. Веселовский О.Н. Линейные асинхронные двигатели: учебное пособие / О.Н.Веселовский, А.Ю.Коняев, Ф.Н.Сарапулов. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 256с.
9. Сарапулов Ф.Н. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения: учебное пособие / Ф.Н.Сарапулов, С.Ф.Сарапулов, П.Н. Шымчак. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2001. - 236с.
10. Вольдек А.И. Основы теории и методики расчета характеристик линейных асинхронных машин/ А.И. Вольдек, Е.В. Толвинская//Электричество. - 1975. - №9. - С.29 - 36.
11. Вельтищев В.Н. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. Часть 2. «Машины для выполнения процессов измельчения, прессования и перемешивания»: учебно-практическое пособие/ В.Н. Вельтищев, Ю.А. Калошин - М.: МГУТУ, 2005.
12. Гультяев А.Б. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс / А.Б. Гультяев-СПб. Питер, 2000. - 432с.
13. Konyaev A.Yu. Linear induction machines for electrodynamic separation of non-ferrous metals / A.Yu. Konyaev, E.Yu. Obvintseva - Proceedings of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, ElConRus, 2017. - Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. - 1567-1570 p.
