Совершенствование технических средств и технологий АПК системами с электромагнитными импульсными машинами

Сложившаяся ситуация и наметившийся подъем в производственных отраслях выдвигают перед инженерами-разработчиками актуальную задачу создания конкурентоспособной техники для реализации перспективных или совершенствования традиционных перерабатывающих, строительных и ремонтных технологий, без которых невозможно нормальное функционирования как отдельных сельскохозяйственных предприятий, так и всего агропромышленного комплекса (АПК) в целом.

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. Например, в работе [37] убедительно показано, что 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 АПК с применением импульсов (группы А, Б) или 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. Для определенности отнесем к этой группе воздействия с усилиями ^>10 кН или энергией Ау в диапазоне 0,04 — 1,0 кДж. Анализ опубликованных данных показывает, что применение таких воздействий позволяет, например, эффективно отжимать сок из ягод или мягких плодов, 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.

В настоящее время в технике такие воздействия обеспечиваются разнообразными по конструкции и параметрам пневматическими, гидравлическими, гидропневматическими, электрическими импульсными машинами, которые формируют силовые или ударные импульсы, передаваемые, обычно, через инструмент (волновод) в обрабатываемую среду. Поскольку во многих практических конструкциях происходит именно ударное взаимодействие подвижного элемента (бойка) с инструментом, то для обозначения технических устройств или приспособлений, наряду с названием «импульсные», в работе употребляется термин «ударные».

Системный подход, послуживший плодотворной методологической базой при исследовании и создании подобных машин и систем с их использованием, позволил к настоящему времени придать результатам вполне четкую трактовку в виде теории силовых импульсных систем, основные положения которой разработаны в трудах А. И. Москвитина, П. М. Алабужева, О. Д. Алимова, A.B. Фролова, Н. П. Ряшенцева, Ю. З. Ковалева, Ф. Н. Сарапулова, В. В Ивашина, О. Н. Веселовского, Б. Ф. Симонова, В. Н. Гурницкого, Г. Г. Угарова, Г. В. Никитенко, Е. М. Тимошенко, A.B. Львицына, А. Н. Мирошниченко, А. Т. Малова, В. И. Мошкина, В. Ю. Неймана и других специалистов. При этом и в технической литературе, и в опубликованных работах толкование термина «силовая импульсная система» не является однозначным.

Известная подвижность познавательных принципов системного подхода, в соответствии с которыми любую сложную систему можно расчленить (всегда не единственным образом) на конечное число подсистем, а каждую подсистему (высшего уровня) можно, в свою очередь, расчленить на конечное число более мелких подсистем, позволяет называть силовой импульсной системой как собственно машину (с пневмо-, гидроили другим приводом), так и машину с некоторой совокупностью объектов, обеспечивающих её работоспособность и представляющих функциональное единство. В последнем случае машина (ударный механизм) является лишь частью, выходным элементом (исполнительным органом) силовой импульсной системы, содержащей помимо самой машины системы приготовления, поддержания или регулирования нужных параметров рабочего тела (энергоносителя) и его транспортировки к машине (в пневмои гидросистемах) или источник электропитания, преобразователь и управляющее устройство (в электрических системах). Именно эти элементы системы во многом определяют удельные выходные показатели и степень совершенства импульсной машины, без этих элементов функционирование машин невозможно.

В настоящее время большая часть практических задач в АПК традиционно решается с помощью пневмои гидроимпульсных систем или электроприводов вращательного действия. Сравнение показателей гидроударных машин показывает, что это, как правило, крупногабаритные устройства, имеющие навесное исполнение или доставляемые к месту работы транспортными средствами. Для их установки в рабочее положение и перемещения на объекте необходимы подъёмно — транспортные механизмы, а для энергообеспечения — стационарные сети или мощные передвижные установки.

Однако значительная доля перечисленных операций и процессов при строительстве, реконструкции или ремонте объектов АПК выполняется, зачастую, в стеснённых условиях строительной площадки, на откосах, траншеях, вблизи или внутри строящихся или реконструируемых зданий и сооружений, когда мощные навесные импульсные машины малоэффективны или вовсе не применимы, а известные переносные или ручные инструменты и приспособления (молотки, перфораторы, бетоноломы) могут не обеспечивать нужного результата. Кроме того, некоторые виды работ ведутся на необорудованных местах, при отсутствии энергокоммуникаций, либо значительном их удалении, когда питание от автономных источников ограниченной мощности предпочтительно или безальтернативно.

Свойственные традиционным импульсным системам усложненность конструкции и, сопровождаемая потерями на промежуточных стадиях, многоступенчатость преобразования первичной энергии в механическую послужили в свое время важным стимулом к созданию силовых импульсных систем с электроприводом. Здесь, из сложившихся традиционно направлений, перспективным, при разработке импульсных машин и систем с их использованием, является линейный электрический привод. При этом применение импульсных линейных электрических двигателей представляется особенно предпочтительным, поскольку позволяет обеспечить непосредственное преобразование электрической энергии в механическую работу подвижной части с линейной' траекторией движения. Объединение в одном блоке машины-двигателя и машины-орудия даёт такие известные преимущества, как упрощение и удешевление всего устройства, повышение его энергетических характеристик, надёжности, снижение затрат на обслуживание [122].

Анализ выполненных конструкций машин, использующих линейные электродвигатели разных типов, сопоставление их технических характеристик [39,49,63,69,94,100,110,115,138,182,186,187,194] показывают, что в приводе машин для совершенствования технологий в АПК-целесообразно применить линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД).

ЛЭМД относятся к импульсным электромеханическим преобразовате—• лям и представляют самостоятельный класс специальных электрических машин, обладающих специфическими свойствами [62,93,100,122]. В них сочетаются конструктивная простота и надежность, они наиболее приспособлены к тем приводным устройствам, в которых рабочий орган совершает возвратно-поступательные движения. Применение ЛЭМД в этих изделиях следует считать идеальным, так как вид движения двигателя и рабочего органа машины совпадают [100,122].

Накопленный к, настоящему времени значительный положительный опыт создания и практического применения импульсных машин и устройств различного назначения с линейными электрическими, в том числе, электромагнитными двигателями свидетельствует об интенсивном развитии так называемых силовых электромагнитных импульсных систем (СЭМИС). Предпочтительность их применения при совершенствовании перечисленных и схожих технологий предопределяется лучшей экологичностью, возможностью упрощения кинематических схем и конструкций машин, уменьшения многоступенчатости энергопреобразования, улучшения массогабаритных характеристик изделий и выступает важным направлением энергои ресурсосбережения в АПК. 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.

Оценивая возможности совершенствования технологий агропромышленного комплекса машинами и системами с линейными электромагнитными двигателями, операции и процессы целесообразно разделить на группы, оп-, ределяемые 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 (сводообру-шение 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. Электрические машины и системы для таких технологий лишь упоминаются ввиду ограниченного объема настоящей работы и подробно представлены, например, в [37,60,138].

При этом из [49,53,61,62,69,71,75,82,94,98,100,122 и др.] следует, что 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.

Поскольку линейный электромагнитный двигатель обоснованно выдвигается главной операциональной «единицей» при анализе таких систем, значительная часть исследований направлена на совершенствование и повышение эффективности именно ЛЭМД. При этом, изучению других важных компонентов системы, определяющих ее практическую пригодность и оказывающих непосредственное влияние на показатели импульсных машин с ЛЭМД — источникам тока, накопителям энергии, электрическим управляющим преобразователям, — при исследовании СЭМИС уделяется значительно меньше внимания.

Недостаточность проработки общесистемных вопросов сдерживает развитие, ограничивает функциональные возможности и особенно отчетливо проявляется при создании мобильных импульсных электромагнитных систем, повышающих эффективность инженерных изысканий при сооружении и реконструкции объектов АПК, технологий выполнения заземляющих устройств в сельских электроустановках или катодной защиты при газификации села, изготовления изгородей при обустройстве пастбищ, малодебитных водяных скважин в фермерских и дачных хозяйствах, других схожих технологий, поскольку здесь становятся важными свойства не только составных частей СЭМИС, но и закономерности функционирования сложного объекта в целом. Появляется совокупность новых задач по определению рациональной структуры системы, организации взаимодействия элементов и подсистем, учету влияния внешней среды, выбору энергетически выгодных режимов действия, оптимальному управлению системой и др.

Преодолеть подобную ограниченность, определить недостаточность прежних условий для постановки и решения новых практических задач, обозначить отличные от существующих структурные и типологические характеристики элементов СЭМИС, позволяет системный подход. Комплексному, с учетом принципов этого подхода, решению проблемы совершенствования и создания, в том числе, мобильных систем с импульсными электромагнитными машинами, повышающими эффективность и экологичность целого ряда операций и процессов в технологиях АПК, посвящена настоящая диссертация.

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.

Задачи исследований: 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 мощностисопоставить 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 типанаметить пути совершенствования энергопреобразовательного процесса за счет реализации такой совокупности режимов в рабочем цикле двигателя, при которой обеспечивается наиболее эффективное преобразование электрической энергии в механическую работу в ЛЭМДоценить показатели и потенциальные возможности автономных электроисточников и накопителей энергии при энергопитании ЛЭМД импульсных машинсоздать автономный мобильный источник, обеспечивающий требуемые динамические и энергетические характеристики импульсных машин с ЛЭМДпроанализировать принципы построения и разработать принципиальные схемы электрических преобразователей для ЛЭМД импульсных, в том числе, переносных машин, обеспечивающих наиболее эффективное энергопреобразование в рабочем циклеисследовать рабочие процессы в силовой электромагнитной импульсной системевыявить сочетание конструктивных и режимных факторов, повышающее динамическую и энергетическую эффективность импульсных, в том числе, мобильных, переносных машин и систем с ЛЭМДпроанализировать основные структурные и функциональные признаки и разработать принципиальные схемы электромагнитных машин, представляемых совокупностью импульсного ЛЭМД и устройства вывода и передачи ударных или силовых импульсов объекту или средесопоставить способы и обосновать конструктивные схемы и параметры устройств передачи механической энергии от якоря ЛЭМД к нагрузкеразработать методы расчета основных энергетических параметров и конструктивных размеров ЛЭМД импульсных машинразработать конструкции функциональных и удобных в эксплуатации импульсных электромагнитных, в том числе, мобильных машин и установок для забивания-выдергивания стержней, электродов, интенсификации разгрузки бункеров, других примененийпровести 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 АПКвыдвинут, обоснован и практически подтвержден тезис об универсальности магнитной системы и конструкции броневого цилиндрического двухзазор-ного 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 АПКпредложен способ передачи механической мощности от якоря двигателя выходному элементу и принципиальные схемы электромагнитных машин со сквозным осевым каналом, обеспечивающие при ограниченном рабочем I ходе якоря любые необходимые линейные перемещения выходного элемента и неторцевую забивку продольно-неустойчивых стержневых элементов произвольной длиныустановлена 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 системыобосновано применение низковольтных конденсаторных накопителей фа-радной 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 батареивыявлена 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 энергиейразвиты принципы построения тиристорных преобразователей для ЛЭМД переносных машинразработан преобразователь с переменной коммутационной способностью, обеспечивающий хорошие выходные показатели импульсной машины, питаемой и от аккумуляторной батареи, и от емкостного накопителяпредельные статические режимы ЛЭМД при намагничивающем токе в обмотке, соответствующем рабочему режиму импульсной машинывыявлены 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 импульсных ЛЭМД и рабочих процессов ударных машин и комплексов с их использованиемэкспериментальными данными, полученными на специально разработанных стендах при испытаниях ЛЭМД и электромагнитных ударных машинрезультатами полевых испытаний опытных образцов автономных ударных 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 5 якоря и существенной нелинейностью силовой характеристики.

8), повысить функциональность импульсных электромагнитных машин и расширить области их эффективного применения, в том числе, в АПКприменение 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 8 якоря и передаче его механической мощности к элементу в неторцевом произвольном сечении элементадля 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 одновременном снижении энергопотребления от источника за счет реализации устойчивого режима динамического индуктивного накопителя энергии при холостом, и предотвращения режима короткого замыкания при рабочем ходе якоряв 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 машиныстартерные 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 «=0,2.10 с» 1- питаемая от стартерных аккумуляторов переносная1 электромагнитная ударная машина кратковременного режима обеспечивает сопоставимые с пневмои гидроударниками выходные, показатели при номинальной емкости батареи Сн на единицу массы < т машины Сн/т= 1,1. 1,5 А-ч/кг и удельном-напряжении на обмотке 0,8. 1,5 В/ витокбатареям электролитических конденсаторов фарадной и более емкости при разряде на обмотку импульсного ЛЭМД с выходной энергией Ау< 0,8 кДж развивает удельную мощность до 0,75 кВт на кг массы машины, и формирует униполярные питающие импульсы с необходимыми параметрами при единичных (п<0,2' с" 1- и непрерывных (п< 10 сх) срабатываниях, обеспечивая режим питания" электромагнитной машины, схожий с аккумуляторным при собственных удельных показателях 0,2 кДж/кг и 80 л кДж/м — 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 ЛЭМДдля 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 д, позволяют реализовывать любые результирующие перемещения п-д, п-1, 2,. при неизменном, на всей длине п-д, среднем усилии Рср=сотЬ величина которого тем меньше отличается от начального — конечного усилия двигателя на ходе 8, чем короче рабочий ход дякоря.

Практическое значение работы: обоснованы и предложены принципиальные схемы и конструкции цилиндрических импульсных 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 мощностьюсозданы 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» («Сель-энергопроект»), 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 «НВНИ-ИГГ» «Саратовская геофизическая экспедиция», — при разработке и проведения 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 ([39,82,122]), 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.) — Всесоюзна 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 реферируемых 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.

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 (т<100 кг), габаритам (У<0,5 м) и мощности (Р<10 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 ^=0,05.0,8 кДж и частотой ходов «=0,2.10 с» 1.

5. Питаемая от стартерных аккумуляторов переносная электромагнитная ударная машина кратковременного режима обеспечивает сопоставимые с пневмои гидроударниками выходные показатели при номинальной емкости батареи С&bdquoна единицу массы т машины С,/т= 1,1. 1,5 А-ч/кг и удельном напряжении на обмотке С/нАу=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 Ау<0,8 кДж развивает удельную мощность до 0,75 кВт на кг массы машины и формирует униполярные питающие импульсы с необходимыми параметрами при единичных (и <0,2 с1- и непрерывных (п< 10 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 8 якоря и существенной нелинейностью силовой характеристики Рэ (3) 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 8 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 8, позволяют реализовывать любые результирующие перемещения п-8, п=1, 2,. при неизменном, на всей длине п-8, среднем усилии Рср=сот? величина которого тем меньше отличается от начального — конечного усилия двигателя на ходе 8, чем короче рабочий ход 8 якоря.

14. Предложены инженерные методы расчета основных энергетических характеристик и конструктивных размеров ЛЭМДрассмотрены 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.

Дальнейшее улучшение свойств и реализация потенциальных возможностей систем с линейными электромагнитными двигателями предполагает не только развитие результатов исследований приведенных, в том числе, в настоящей работе, но постановку и решение новых задач, возникающих по мере развития как сельскохозяйственной отрасли, так и технологий агропромышленного комплекса.