Обоснование параметров привода вибротранспортных машин (стр. 2 )

Из табл. 2 видно, что использование линейного электромагнитного двигателя с постоянными магнитами в качестве вибровозбудителя низкочастотных ВТМ затруднительно, так как развиваемые ими усилия недостаточны для пуска машины.

Рабочие процессы магнитоиндукционного и электромагнитного линейных вибровозбудителей имеют существенные отличия. Так как магнитоиндукционные двигатели относятся к электродинамическим машинам, в которых практически невозможно замерить тяговое усилие, то оценку их тяговых свойств целесообразно производить по работе движущего импульса.

На рис. 1 приведена одна из опытно-промышленных резонансных низкочастотных машин.

Вибротранспортная машина состоит из подвижной рамы 1, к которой жестко закреплены упругие опоры 2 – листовые рессоры. Верхняя часть рессор жестко закреплена на нижней части корпуса 3. Корпуса (статоры) двух вибровозбудителей 4 жестко закреплены на подвижной раме 1 и установлены вертикально. Якоря 5 этих вибровозбудителей опираются в нижнюю часть короба.

Рис. 1. Резонансная низкочастотная вибротранспортная машина

с магнитоиндукционными линейными двигателями

Для описания процесса движения РО, при воздействии на него импульсной движущей силы, необходимо знать коэффициент сопротивления его движению (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость приведенного коэффициента сопротивления движению

рабочего органа от относительной нагрузки

Уравнение регрессии при η1=0,99 имеет вид

fс = 0,102(mгр/mро)2 – 0,18(mгр/mро) + 0,

Движение рабочего органа с якорем рассматривается на трех этапах. На первом этапе движущее усилие возрастает до максимума, на втором этапе уменьшается до нуля и на третьем этапе РО движется по инерции. Дифференциальные уравнения движения рабочего органа с якорем на соответствующих этапах имеют вид

; (2)

; (3)

, (4)

где Fо – максимальное движущее усилие, Н; tн – время нарастания движущего усилия до максимума, с; tи – время импульса, с; c – приведенная жесткость динамической системы – суммарная жесткость опор, Н/м; β – угол наклона упругих опор к горизонту, град.; m = mро+mгр – приведенная масса рабочего органа с якорем и грузом, кг; mро – приведенная масса рабочего органа с якорем, кг.

В конце третьего этапа перемещение рабочего органа достигает xmax:

. (5)

Постоянные интегрирования С1 и С2 определяются по уравнениям:

; , (6)

где – перемещение и – скорость РО в конце второго этапа.

Таким образом, зная величину импульса силы, можно определить максимальное отклонение РО. Затем, используя известные методики, можно рассчитать скорость движения горной массы и производительность ВТМ.

На рис. 3 приведены статические тяговые характеристики линейных электромагнитных двигателей. Магнитодвижущая сила во всех опытах была постоянной и равной 5400 А×виток, такая же, как и у двигателя с постоянными магнитами.

Рис. 3. Статические тяговые характеристики электромагнитных линейных двигателей:

ряд 1 – dя = 100 мм, mоб = 4 кг; ряд 2 – dя =70 мм, mоб = 5,4 кг; ряд 3 – dя = 50 мм,

mоб = 3 кг; ряд 4 – dя = 50 мм, mоб = 6 кг

Уравнения регрессии для соответствующих двигателей имеют вид:

Fтэ1 = 0,38δ3 – 9,59δ2 – 93,7δ +2860; (7)

Fтэ2 = 0,0428δ3 + 0,338δ2 – 54,8δ +1008; (8)

Fтэ3 = 0,018δ3 – 0,433δ2 – 3,32δ +268; (9)

Fтэ4 = -0,028δ3 + 1,47δ2 – 26,6δ +2

Уравнения (7)…(10) адекватны при изменении рабочего зазора от 25 до 5 мм. Корреляционные отношения этих уравнений соответственно: η1 = 0,94; η2 = 0,95; η3 = 0,97; η4 = 0,94.

Из рис. 3 и уравнений (7)…(10) видно, что при постоянной магнитодвижущей силе величина тягового усилия зависит не только от размеров якоря, но и от массы, а также формы обмотки, которая определяется её конструктивными параметрами. При равной намагничивающей силе и практически одинаковой массе разные по форме обмотки имеют различное тяговое усилие. Таким образом, для оценки степени конструктивного совершенства электромагнитных вибровозбудителей – линейных электромагнитных двигателей целесообразно использовать не абсолютные, а относительные величины:

1. Удельное тяговое усилие (Fту, Н/см2), равное отношению тягового усилия (Fтэ) к площади поперечного сечения якоря ():

Fту = 4Fтэ/(). (11)

2. Отношение удельного тягового усилия (Fтy, Н/(кг×см2)) к массе обмотки (mо, кг):

Fmy = Fту/mо . (12)

3. Отношение максимальной избыточной температуры(Δtо) обмотки к её массе (Δtо/mо, К/кг) при равной тепловой мощности:

εt = Δtо/mо. (13)

Первые два показателя характеризуют совершенство конструктивного исполнения линейного двигателя. Третий показатель характеризует тепловую работоспособность линейного двигателя.

Однако эти удельные характеристики не в полной мере характеризуют степень соответствия данного вибровозбудителя конкретной вибротранспортной машине. Энергетическая эффективность вибровозбудителя и, соответственно, ВТМ обычно оцениваются средними затратами энергии за один цикл колебаний. Величина удельной работы характеризует энергетическую эффективность использования линейного двигателя в данной ВТМ и, при прочих равных условиях, энергозатраты на транспортирование груза.

Скорость движения горной массы, следовательно, производительность ВТМ, являясь важнейшим технологическим показателем, нелинейно зависит от частоты колебаний. Поэтому адекватно сравнивать однотипные, но разные по частоте вибровозбудители и, соответственно, оценивать их эффективность можно по перемещению груза за один цикл (Lо, см ), равного отношению скорости его движения (V, см/с) к частоте колебаний (f, Гц):

L0 = V/f (14)

Перемещение груза за один цикл определяет не только производительность ВТМ, но и степень соответствия режимных параметров двигателя рабочему процессу вибротранспортирования.

В табл. 3 приведены результаты эксперимента электромагнитных вибровозбудителей.

Таблица 3

Удельные тяговые характеристики и относительные конструктивные параметры

вибровозбудителей – линейных двигателей

Рабочий зазор, мм	Fту, Н/см2
WI=5400	WI=4100	WI=5400	WI=4100	WI=5400	WI=4100	WI=5400	WI=4100
5	27,5	15	19	10,6	13,5	12,8	8,4	5,5
10	18,8	9,4	13	7	11,6	7,7	5,5	3,6
15	7,5	3,5	9,1	5,5	10,1	7,5	5,0	2,9
21	3	1,25	8,3	5,5	9,9	6,6	4,7	3,3
Число витков	270	290	468	936
Dк/dя	1,65*	2,0	1,95	1,95
2Hк /dя	1,2	2,18	3,3	6,5
Hк / Aк	1,88	2,13	3,7	7,4
Aк/ dя	0,32	0,5	0,44	0,44

* Курсивом выделены рациональные параметры обмотки

Данные табл. 3 показывают, что у второй обмотки все параметры лежат в рациональном диапазоне. Однако первая обмотка имеет существенно большее (примерно в 1,5 раза) удельное тяговое усилие. Это свидетельствует о том, что двигатель с этой обмоткой по удельному тяговому усилию более эффективен, чем остальные, хотя два его относительных параметра находятся вне рациональной области.

Исходя из вышеизложенного, для обеспечения рациональной эффективности работы ВТМ необходимо выполнить условия:

Q = Qр; Kэ = >min. (15)

Оценку же степени конструктивного совершенства и, соответственно, эффективности электромагнитных линейных вибровозбудителей для данной ВТМ следует производить по:

Рт <= [Рт]; E/mо => max; Lо=> max; Fту => max; Fmy =>max; εt <= [εt ]. (16)

Вибротранспортные машины с электромагнитным вибровозбудителем работают при ПВ ≈ 100 %, т. е. в относительно тяжелом тепловом режиме. При нерациональном выборе параметров обмотки, магнитной системы статора, величины тока и параметров корпуса возможен перегрев обмотки и ее отказ.

На рис. 4 приведена эквивалентная расчетная схема распространения теплового потока в электромагнитном линейном двигателе. Она отличается от известных тем, что практически весь теплообмен с окружающей средой происходит по боковой и части торцевых поверхностей корпуса электромагнитного линейного двигателя.

Для этой схемы уравнения теплового равновесия имеют вид

(17)

где Δ θо – разность температур между наиболее нагретой частью обмотки и окружающей средой, К; тепловые сопротивления (К/Вт): R* – обмотки, при передаче тепла через внешнюю стенку; R1 – электроизоляционной прокладки; R2 – корпуса двигателя; Rкв – корпуса-воздуха; R**– обмотки, при передаче его через внутреннюю стенку в якорь; R3 – изоляционной прокладки; R4 – воздушного зазора; Rя – якоря; R5 – воздушно-масляного зазора; Rпв – полюсной части корпуса-воздуха; R6 – полюса корпуса; R7 – воздушного зазора и демпфера; Rкпв–подшипниковой части корпуса-воздуха; Рк – мощность тепловых потерь в обмотке, Вт; n и n1 – коэффициенты распределения теплового потока; Rяв – якоря-воздуха.

 

 

Рис. 4. Эквивалентная тепловая модель линейного электромагнитного

вибровозбудителя

Наибольшее тепловое сопротивление имеют обмотка, изоляционные прокладки и воздушные зазоры. Так как коэффициент соотношения тепловых потерь в якоре и обмотке (отношение потерь в якоре потерям в обмотке приближается к нулю) ν => 0, то, используя выражение (17), можно получить уравнение для определения коэффициентов n и n1 распределения теплового потока. Обозначим: R*+R1+R2+Rкв = a; R**+R3+R4+Rя = b; R5+R6+Rпв= с; Rяв= d и после преобразований получим:

Δθо= Eт f(R*+R1+R2+Rкв)(bc+bd+dc)(ac+bc+ad+bd+cd

Эта температура должна быть меньше допустимой, которая определяется теплостойкостью изоляции проводника обмотки.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований линейных вибровозбудителей различного типа, установленных на опытно-промышленную вибротранспортную машину, которая по своим конструктивным и технологическим характеристикам соответствует параметрам промышленных грохотов легкого типа – ГИЛ-11…ГИЛ-14, ГСП-12 и т. п.

Первая серия опытов проводилась с магнитоиндукционными линейными двигателями. Средние по 3…5 опытам значения результатов приведены в табл. 4.

В результате статистической обработки результатов эксперимента получена зависимость движущего импульса от энергии заряда конденсаторов:

Ftи = 35,6exp[-+7,5Ек)-1]. (19)

Регрессионная зависимость тепловой мощности от энергии заряда конденсаторов имеет вид

Рт =29(0,1Eк -

Таблица 4

Результаты эксперимента магнитоиндукционного вибровозбудителя ВТМ

(tи = 60 мс, mро = 130 кг, dя = 50 мм, mо = 2 кг)

Наименование показателей	Числовая величина показателей
Энергия конденсатора Ек, Дж	16	21	29	44	56	70	105
Максимальный ток в обмотке Jк, А	8,1	9,7	12,1	16,2	19,2	22,6	27,0
Импульс движущей силы Ftи, Н×с	8,4	10,9	14,2	16,6	19,4	21,4	25
Амплитуда А1, мм	7,7	8,1	8,8	9,3	10,0	10,7	12
Работа движущего импульса, Дж	0,35	0,6	1,0	1,37	1,87	2,3	3,4
Расчетное значение импульса движущей силы Ftи, Н×с	9	10,9	13,7	17,3	19,6	21,6	25
Тепловые потери в обмотке Рт, Вт	24	35	52	95	137	185	270
Скорость движения груза V, см/с	0	0	0	0	2 -2,2	4-4,5	7-7,4
Мощность на входе в преобразователь Рвх, Вт	68	88	118	182	237	296	445
Энергоемкость транспортирования, Дж/кг	-	-	-	-	540-590	330-370	300-320
Перемещение груза за один цикл Lо, см	0	0	0	0	0,47-0,51	1,93-1,05	1,63-1,74

Уравнения (19) и (20) справедливы при 110 > Eк >10 Дж.