Обоснование параметров привода вибротранспортных машин (стр. 1 )

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИВОДА ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.06 – «Горные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург - 2012

 

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент , профессор кафедры эксплуатации горного оборудования ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

кандидат технических наук, доцент , профессор кафедры мехатроники ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация – Институт горного дела УрО РАН

Защита состоится 25 декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу:

г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 23 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы вибротранспортирования и разделения сыпучих материалов по крупности являются одними из наиболее масштабных и относительно энергоемких операций в горнодобывающей, строительной, химической и других отраслях промышленности РФ. Проведение этих операций сопровождается значительными затратами энергии. Удельная энергоемкость этих процессов доходит до 1 кВт×ч/т. Учитывая масштабы транспортирования, общие затраты энергии в РФ достигают значительных размеров.

Рост экономических показателей работы предприятий, использующих вибротранспортные процессы, возможен при совершенствовании конструкции вибротранспортных машин и повышении эффективности рабочего процесса. По конструктивному исполнению вибротранспортные машины (ВТМ) имеют относительно большую номенклатуру, но все без исключения содержат основной узел – вибровозбудитель, работа которого определяет эффективность рабочего процесса. Тип вибровозбудителя обусловливает конструктивное исполнений ВТМ. В горной и других отраслях промышленности применяются в основном эксцентриковые (кривошипно-шатунные), инерционные, пневматические, гидравлические и электромагнитные вибровозбудители. В меньшей мере в вибротранспортных машинах используются, как правило, линейные двигатели, которые эффективно работают в зоне резонанса на относительно высоких, кратных 50 Гц, частотах с амплитудой 1…2 мм.

Альтернативой существующим электромагнитным вибровозбудителям служат линейные управляемые электромагнитные двигатели постоянного тока. Однако рабочий процесс этих вибровозбудителей изучен недостаточно, что не позволяет определять их рациональные параметры. Изучение рабочих процессов электромагнитных вибровозбудителей постоянного тока, определение их рациональных параметров, обеспечивающих повышение эффективности работы вибротранспортных горных машин – актуальная научная задача.

Объект исследования – низкочастотные вибротранспортные горные машины с линейным электромагнитным вибровозбудителем – линейным двигателем постоянного тока.

Предмет исследования – установившиеся и переходные рабочие процессы вибровозбудителя – линейного управляемого двигателя постоянного тока в низкочастотной вибротранспортной машине.

Цель работы – повышение эффективности работы низкочастотных вибротранспортных горных машин с электромагнитным вибровозбудителем – линейным управляемым двигателем постоянного тока за счет совершенствования его конструкции на базе исследований, позволяющих определить его рациональные параметры.

Идея работы заключается в повышении эффективности рабочего процесса низкочастотной вибротранспортной машины за счет усовершенствования конструкции вибровозбудителя – линейного электромагнитного двигателя постоянного тока и выбора рациональных параметров режима его работы.

Для достижения данной цели были поставлены задачи:

1. Обосновать и сформулировать критерии эффективности работы линейных электромагнитных вибровозбудителей низкочастотных, в том числе резонансных вибротранспортных машин.

2. Определить наиболее эффективный тип линейного управляемого вибровозбудителя для относительно низкочастотных вибротранспортных машин.

3. Определить рациональное время работы линейного двигателя за один цикл колебаний, положение рабочего органа в момент включения и выключения двигателя, а также токовые нагрузки, обеспечивающие приемлемую работоспособность вибровозбудителя.

4. Обосновать эквивалентную схему для расчета установившейся избыточной температуры и методику ускоренных тепловых испытаний.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Степень совершенства конструкции линейных вибровозбудителей и эффективность работы ВТМ должны определяться на основе их тяговых и энергетических характеристик с учетом режимных параметров системы управления.

2. Одним из эффективных вибровозбудителей для низкочастотных вибротранспортных машин, работающих в «полубыстроходном» и «быстроходном» режимах, является линейный электромагнитный двигатель постоянного тока с сенсорным управлением, связанным с положением рабочего органа (РО).

3. Рациональный путь повышения энергетической эффективности рабочего процесса резонансных грохотов и снижения тепловой нагруженности вибровозбудителей – уменьшение непроизводительных потерь энергии, обусловленных нерациональным включением и выключением линейного двигателя.

Научная новизна работы заключается: в обосновании критериев оценки степени конструктивного совершенства линейного электромагнитного вибровозбудителя, разработке методики определения рациональных режимных и конструктивных параметров вибровозбудителей, их связи с параметрами рабочего процесса низкочастотных ВТМ, амплитудой колебаний рабочего органа, производительностью и удельными энергозатратами.

Практическая значимость диссертации состоит в разработке конструкции линейных электромагнитных вибровозбудителей постоянного тока, а также источника питания и системы управления им для низкочастотных вибротранспортных машин, обеспечивающих их приемлемую производительность и энергоемкость.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректным использованием методов математического и физического моделирования, положений теории вероятности и математической статистики, апробированными методами экспериментальных исследований. Удовлетворительная сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований (относительное расхождение не превышает 15 %) подтверждает их достоверность.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при проектировании вибрационной машины для грохочения мелких классов хвостов обогащения руд тяжелых металлов и в ударной установке для забивания труб в связный грунт с целью его укрепления.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались: на Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений», Екатеринбург, 2011 г.; Международной научно-технической конференции «Транспорт XXI века: Исследование, инновации, инфраструктура», г. Екатеринбург, 17-19 ноября 2011 г.; «Неделе горняка», г. Москва, 23-28 января 2012 г.; «Уральской горнопромышленной декаде», г. Екатеринбург, 18-20 апреля 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах международных конференций, в том числе 7 работ в журналах из списка ВАК.

Вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоит в определении и формулировке направлений исследований, постановке задач, разработке методик исследований, организации и непосредственном участии в выполнении исследований и испытаний, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций, написании текстовой части публикаций и в публичных докладах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 117 наименований, содержит 122 страницы текста, 44 рисунка, 15 таблиц и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ конструкции вибровозбудителей грохотов, питателей, бункеров, вибровыпусков и транспортеров.

Как в отечественных, так и зарубежных дорезонансных, зарезонансных и резонансных ВТМ используются вибровозбудители кинематического, силового или смешанного типов возбуждения колебаний. По конструктивному исполнению (количеству составляющих вибровозбудитель систем) вибровозбудители можно разделить на два класса:

первый класс включает в себя вибровозбудители, которые состоят из двигателя и трансмиссии, которая превращает вращательное движение в возвратно-поступательное, эллиптическое или круговое периодическое движение рабочего органа;

второй класс включает вибровозбудители, состоящие из двигателя, подвижная часть которого непосредственно или через упругий элемент соединяется с РО и сообщает ему возвратно-поступательное периодическое движение.

Этот класс представлен тремя типами вибровозбудителей: инерционными мотор-вибраторами; электромагнитными переменного тока и электромагнитными постоянного тока. В горной промышленности нашли применение резонансные питатели с электромагнитными линейными двигателями, работающими с частотой, кратной частоте промышленной сети (50 Гц), и амплитудой от 1,2 до 2,2 мм. Основным недостатком рассмотренных электромагнитных резонансных вибровозбудителей является относительно небольшой ход якоря.

Создание и совершенствование новых вибротраспортных машин неразрывно связано с теорией их расчета, в разработку которой основной вклад внесли: , , G. Lindner, , и другие известные ученые. Основной задачей их исследований было определение средней скорости (V) вибротранспортирования, так как она, при прочих равных условиях, определяет производительность и, соответственно, эффективность ВТМ. В табл. 1 приведены технические характеристики отечественных и зарубежных вибротранспортных машин.

Таблица 1

Характеристики ВТМ

Тип ВТМ	Производительность Qmax, т/ч	Мощность двигателя P, кВт	Удельный расход энергии P/ Qmax, кВт×ч/т	Угол наклона рабочего органа α, град	Масса ВТМ m, т	Тип вибровозбудителя
181-ПТ-2,5×1,5	600	8	0,013	15-20	5,47	Электромагнитный
ПЭВ-19А-2,5×1,9	1500	8	0,0053	15-20	6,79	–//–
ГПТ-2-3×3	3500	80	0,023	10	40,2	Самобалансный
ГВЛ-500-1,5×0,6	5	1,5	0,3	0-10	0,2	Инерционный
ГИС-42-3,7×1,5	15-200	11	0,73-0,055	15-25	2,8	Самобалансный
ГИС-51-4,65×1,75	20-220	15	0,75-0,068	15-25	2,8	–//–
CDR -82	210	15	0,071	5	9,6	Эксцентриковый
CDR -85	300	22	0,073	5	10,3	–//–
ГИЛ-32	100	4	0,04	10-15	1,74	Инерционный
ГИЛ-52	150	10	0,066	10-25	3,7	–//–
ГИТ-42	400	7	0,0175	25	4,7	–//–
ГИТ-51	600	10	0,0166	25	5,9	–//–

Из табл. 1 видно, что ВТМ с электромагнитными вибровозбудителями переменного тока имеют существенно меньшие удельные энергозатраты по сравнению с другими машинами.

Развитие теории расчета электромагнитных механизмов связано с именами , , , -Акопова и др. ученых. В этих же работах приведены методики расчета параметров и установившейся температуры обмотки электромагнитных аппаратов, которая является наименее надежным элементом этих устройств. Однако использовать их затруднительно, так как эквивалентная расчетная схема электромагнитного двигателя существенно отличается от рассмотренных.

Анализ параметров известных ВТМ с электромагнитными вибровозбудителями показал, что на эффективность их работы оказывает влияние характер рабочего процесса, который определяется типом линейного двигателя и его параметрами.

Во второй главе выполнен анализ рабочего процесса электромагнитных линейных вибровозбудителей. В работах , , и других известных ученых показано, что работа ВТМ на относительно низких частотах 4…6 Гц и амплитудах 20…30 мм достаточно часто оказывается более эффективна, чем работа на высоких частотах 25…50 Гц и амплитудах 1...4 мм. Современные вибровозбудители – линейные электромагнитные двигатели работают, как правило, на переменном токе и частотах 25 Гц и более. Тяговая характеристика является основной для линейных двигателей.

В табл. 2 приведены значения тягового усилия якоря линейного двигателя с постоянными магнитами.

Таблица 2

Тяговые усилия линейного двигателя с постоянными магнитами

Рабочий зазор δ, мм	Экспериментальные значения Fтэ, Н	Расчетные значения Fт, Н
I = 20 А	I = 15 А	I = 20 А	I = 15 А
6	224	172	216	162
11	196	152	197	150
16	176	136	179	135
21	132	105	160	120
26	114	91	142	108

Расчетные значения определялись по уравнению Максвелла, при подстановке в него постоянного значения величины магнитной индукции (Bм =1,2 Тл) магнитов, выполненных из ниодим-железо-бора.