Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Kazan, Kazan, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
In modern flour production, the preservation of all vitamins and minerals in it is relevant. Minerals and vitamins are stored in flour, ground from whole grains. In the stone mills, the grain is subjected to repeated exposure to the working surfaces of the millstones, as a result of which the flour contains a large percentage of the most important components of the grain. The stone mill’s drive should provide a low rotational speed of the mills (peripheral speed up to 10 m/sec.) and the possibility of smooth control of its speed and torque without reducing the performance of the mill. From this point of view, it is promising to use in the mill’s drive, instead of asynchronous motors, rotation with additional devices (gearboxes, belt drives, V-belt drives, etc.) of flat asynchronous electric drives. The article suggests possible variants of technical solutions for stone mills with flat electric drives. It was concluded that the use of a flat asynchronous motor in the mill’s drive allows not only smoothly adjusting the frequency and torque of the millstones, but also because of the presence of edge effects, to prevent flour sticking in the millstone working zone. Compiled with the possibility of solving by analytical methods a mathematical model of mill’s drive, based on a flat electric drives, taking into account the longitudinal edge effect, the strength of viscous (internal) and dry (external) friction. The mechanical characteristics of the drive were found when moving the flat electric drives inductors and the dependencies of the change in the mill productivity on the millstone rotation frequency when grinding various grains, changing the fill factor of the grinding zone and the gap between the millstones were obtained.
flat electric drive, stone mill, frequency and torques, regulation, flat asynchronous motor
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. Egorov G.A. Tekhnologicheskie svoystva zerna: uchebnik. [Technological properties of grain: the textbook]. / G.A. Egorov - M.: Agropromizdat, 1985. - P. 334.
2. Sokolov A.Ya. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatiy po khraneniyu i pererabotke zerna: uchebnoe posobie. [Technological equipment for grain storage and processing enterprises: a tutorial]. / A.Ya. Sokolov. - M.: Kolos, 1967. - P. 448.
3. Yamamura S. Teoriya lineynykh asinkhronnykh dvigateley: uchebnoe posobie. [Theory of linear asynchronous motors: a tutorial]. / S. Yamamura. - L.: Energoatomizdat, 1983. - P. 180.
4. Laithwaite E.R. Induction Machines for Special Purposes, New York: Chemical Publishing Co. Ltd, 1986, P. 377.
5. Nasar S.A. Lineynye tyagovye elektricheskie mashiny: uchebnoe posobie. [Linear traction electric machines: a tutorial]. / S.A. Nasar, I. Boldea. - M.: Transport, 1981. - P. 176.
6. Patent №2546860 Rossiyskaya Federatsiya, MPK V02S7/08, V02S7/16. Ustroystvo dlya izmelcheniya. [A device for grinding]. / Aipov R.S., Nugumanov R.R., Linenko A.V.; zayavitel i patentoobladatel: R.S. Aipov (RU), R.R. Nugumanov (RU), A.V. Linenko (RU) - №2013153279/13; applied 29.11.2013; published 10.04.2015, Bul. № 10. -P. 7.
7. Aipov R.S. Mathematical model of a millstone with a double-sided linear asynchronous motor in a drive. [Matematicheskaya model zhernovoy melnitsy s dvukhstoronnim lineynym asinkhronnym dvigatelem v privode]. / R.S. Aipov, R.R. Nugumanov // Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy. - Electrical and information complexes and systems. - 2013. - №4. - P. 27 - 31.
8. Veselovskiy O.N. Lineynye asinkhronnye dvigateli: uchebnoe posobie. [Linear asynchronous motors: study guide]. / O.N.Veselovskiy, A.Yu.Konyayev, F.N.Sarapulov. - M.: Energoatomizdat, 1991, - P. 256.
9. Sarapulov F.N. Matematicheskie modeli lineynykh induktsionnykh mashin na osnove skhem zamescheniya: uchebnoe posobie. [Mathematical models of linear induction machines based on replacement schemes: a tutorial]. / F.N.Sarapulov, S.F.Sarapulov, P.N. Shymchak- Ekaterinburg: Izd-vo UGTU-UPI, 2001. - P. 236.
10. Voldek A.I. Fundamentals of the theory and methodology for calculating the characteristics of linear asynchronous machines. [Osnovy teorii i metodiki rascheta kharakteristik lineynykh asinkhronnykh mashin]. / A.I. Voldek, E.V. Tolvinskaya // Elektrichestvo. - Electricity. - 1975. - №9. - P. 29 - 36.
11. Veltischev V.N. Osnovy rascheta i konstruirovaniya mashin i apparatov pischevykh proizvodstv. Chast 2. “Mashiny dlya vypolneniya protsessov izmelcheniya, pressovaniya i peremeshivaniya”: uchebno-prakticheskoe posobie. [Fundamentals of calculation and design of machines and devices for food production. Part 2. “Machines for performing the processes of grinding, pressing and mixing”: a training manual]. / V.N. Veltischev, Yu.A. Kaloshin - M., MGUTU, 2005.
12. Gultyaev A.B. Vizualnoe modelirovanie v srede MATLAB: uchebnyy kurs. [Visual modeling in the MATLAB environment: a training course]. / A.B. Gultyaev - SPb: Piter, 2000. - P. 432.
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.
