Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного привода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Каргин, Виталий Александрович

• Каргин, Виталий Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Каргин, Виталий Александрович

Введение.

1. СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СТЕЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГРУНТ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.И

1.1 Конструкция стержневых элементов и способы их погружения.

1.2 Технические средства для погружения металлических стержневых элементов в грунт. Основные требования к устройствам и приспособлениям для погружения стержневых элементов в грунт.

1.2.1 Навесные приспособления для погружения металлических стержневых элементов.

1.2.2 Приспособления для ручной забивки металлических стержневых элементов.

1.2.3 Переносные устройства для погружения металлических стержневых элементов.

1.2.4 Применение линейных электрических двигателей и импульсных приводов на их основе для погружения металлических стержневых элементов в грунт.

Цели и задачи исследований.

Выводы.

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПЕРЕНОСНАЯ МАШИНА УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГРУНТ.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Импульсные линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) с повышенными удельными энергетическими показателями в ударных машинах.

2.2.1 Обоснование магнитной системы импульсного

ЛЭМД.

2.2.2 Оптимальные геометрические соотношения в магнитных системах однообмоточных цилиндрических ЛЭМД.

2.2.3 Расчет статических тяговых характеристик.

2.2.4 Конструкция импульсного ЛЭМД со сквозным осевым каналом, комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами.

2.3 Устройство передачи механической энергии в системе импульсный ЛЭМД - стержень».

2.4 Переносная электромагнитная ударная машина (УМ) для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

Выводы.

3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ И ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕНОСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УДАРНОЙ МАШИНЫ.

3.1 Краткий сопоставительный анализ источников электропитания ударной машины с ЛЭМД.

3.2 Основные типы электрических преобразователей для управления электромагнитной машиной.

3.2.1 Импульсные электрические преобразователи, подключаемые к источникам переменного тока.

3.2.2 Импульсные электрические преобразователи, используемые с аккумуляторными источниками питания.

3.2.3 Импульсные электрические преобразователи с емкостными накопителями энергии.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ПЕРЕНОСНОМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПРИВОДЕ.

4.1 Экспериментальные исследования рабочих процессов импульсного ЛЭМД УМ для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2 Применение теории планирования экспериментов для построения математической модели объекта.

4.2.1 Основная идея теории планирования экспериментов.

4.2.2 Анализ динамических характеристик электромагнитной ударной машины для погружения стержневых элементов в грунт путем планирования многофакторного эксперимента.

4.2.3 Влияние параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента на механическую энергию электромагнитной машины для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2.4 Влияние параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента на частоту ударов электромагнитной машины для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2.5 Влияние параметров емкостного накопителя и жесткости возвратного элемента на коэффициент полезного действия электромагнитной машины для погружения стержневых элементов в грунт.

4.2.6 Определение зависимости времени забивки стержневого элемента от ударной мощности и плотности грунта.

4.3 Исследование энергопреобразования ЛЭМД УМ с аккумуляторным источником питания.

4.4 Исследование энергопреобразования ЛЭМД УМ, питаемого от емкостного накопителя.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного привода»

Среди многочисленных технологических процессов, выполняемых при строительстве объектов в АПК, или производстве изыскательских работ, операции, связанные с погружением и извлечением стержней, свай и т. п. являются наиболее распространенными и энергоемкими. Их комплексная механизация имеет важное народнохозяйственное значение, обусловленное существенными объемами выполняемых работ.

При реализации процессов погружения стержневых элементов наиболее распространенным и эффективным является ударный способ, который обеспечивается разнообразными по конструкции и параметрам пневматическими, гидравлическими, электрическими и др. машинами ударного действия.

Сравнение опубликованных данных показывает, что традиционные машины приспособлены, как правило, для торцевой забивки относительно коротких стержней или небольших свай.

Вместе с тем известно, что значительную долю забиваемых в грунт стержневых элементов составляют сравнительно длинные, небольшого (9.20 мм) диаметра стержни, которые используются при устройстве ограждений для культурных пастбищ, в качестве электродов в защитных заземлениях или катодной защите, при производстве строительных работ для закрепления откосов и т.д. Забивка таких длинных, продольно-неустойчивых стержней, соотношение длины и диаметра l/d которых составляет 100 и более, торцевым способом либо неэффективна, либо вовсе невозможна. Кроме того, их погружение осуществляется зачастую в стесненных условиях строительной площадки, на откосах, в тоннелях, вблизи или внутри строящихся зданий и сооружений, когда известные навесные машины ударного действия малоэффективны или вовсе не применимы, а используемые переносное оборудование и приспособления зачастую не отвечают современным требованиям. Поэтому создание компактных переносных машин ударного действия, обеспечивающих неторцевую забивку продольно-неустойчивых элементов и не требующих для транспортировки и применения механизированных средств, а доставляемых на объект, например, переноской вручную, представляется важным.

Перспективным направлением в разработке машин ударного действия, соответствующих перечисленным особенностям, является использование импульсного электромагнитного привода, отличающегося относительно малым энергопотреблением, сравнительно высокими удельными показателями и КПД и обеспечивающего непосредственное преобразование электрической энергии в механическую работу ударной массы с линейной траекторией движения.

Цель работы. Совершенствование технологии погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов на объектах АПК использованием переносного импульсного электромагнитного привода (ПЭМП). Задачи исследования: провести анализ способов и устройств для погружения стержневых элементов в грунт; разработать конструкцию ударной машины с ЛЭМД для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт; разработать импульсные электрические преобразователи, реализующие эффективные рабочие циклы и обеспечивающие требуемые режимы работы ударной машины; исследовать взаимное влияние наиболее значимых факторов на выходные показатели ударной машины с ЛЭМД с привлечением метода математического моделирования и теории планирования многофакторного эксперимента; исследовать процессы энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины для погружения металлических стержневых элементов (МСЭ) в грунт при различных способах электропитания; провести технико-экономическую оценку результатов исследований.

Объект исследования - ударный переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

Методика исследования. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования, основанные на теории электрических машин, теоретических основах электротехники и автоматизированного электропривода. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники, в том числе аналого-цифровой преобразователь ПЭВМ.

Научная новизна работы: создана электромагнитная ударная машина (УМ) с осевым каналом и зажимным приспособлением для погружения стержневых элементов в грунт; разработаны импульсные электрические преобразователи для питания и управления ЛЭМД, обеспечивающие требуемые режимы работы УМ; теоретически и экспериментально, с привлечением метода математического моделирования и теории планирования многофакторного эксперимента, найдены качественные и количественные зависимости механической энергии, частоты ударов и КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния; получена аналитическая зависимость времени погружения стержневого элемента от ударной мощности и характеристик грунта; исследованы энергопреобразовательные процессы ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом; выявлены условия повышения выходных показателей ЛЭМД ударной машины, питаемого от емкостного накопителя энергии.

Практическая ценность работы. Создан переносной электромагнитный привод для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт, содержащий ударную машину, электрический преобразователь и автономный источник питания.

Реализация научно-технических результатов. Технические возможности и эффективность созданного переносного электромагнитного привода с линейным электромагнитным двигателем для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт подтверждены производственными испытаниями.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2-3 мая 2004); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 21-24 сентября 2004г.); на 3 Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 20 - 22 апреля 2005г.); на конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова «Механизация и электрификация сельского хозяйства» (Саратов, 23 - 25 ноября 2006); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2003 - 2007годах.

Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, общим объемом 2,7 печатных листа, из них два патента РФ и две работы опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне.» ВАК объемом 0,8 печатных листа. 1,5 печатных листа принадлежат лично соискателю.

На защиту выносятся обоснование параметров и конструкция ударной машины с ЛЭМД для погружения длинных продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт; принципиальные схемы электрических преобразователей для ударной машины с ЛЭМД; аналитические зависимости механической энергии, частоты ударов, КПД от наиболее значимых факторов - жесткости возвратного элемента, параметров емкостного накопителя, при учете их взаимного влияния; номограмма для оценки времени погружения металлического стержневого элемента в грунт в зависимости от геометрических параметров стержня, ударной мощности воздействия и плотности грунта; результаты экспериментальных исследований энергопреобразования в ЛЭМД ударной машины со сквозным осевым каналом при различных способах электропитания.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 59 рисунков, 3 приложения. Список литературы включает 129 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Каргин, Виталий Александрович

Выводы:

1. Обоснована необходимость применения в приводе переносных электромагнитных ударных машин броневых ЛЭМД цилиндрической структуры с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами с увеличенным, вдвое против обычного, ходом 8 якоря, тяговую характеристику которого целесообразно формировать удлинением якоря на величину Л1Я. Для выбранного типа ЛЭМД Л1Я=0,28 увеличивает значения начальной тяговой силы и интегральной работы в 1,25 и 1,2 раза соответственно по сравнению с базисным двигателем при Л1Я=0.

2. Разработана, на уровне изобретения, электромагнитная ударная машина со сквозным осевым каналом и зажимным приспособлением передачи ударных импульсов стержню через его боковую поверхность, предназначенная для погружения продольно-неустойчивых стержневых элементов в грунт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Каргин, Виталий Александрович, 2007 год

1.1 Краткий сопоставительный анализ источников электропитания ударной машины с ЛЭМД

2. Мощность Мощность до 10кВт до 100кВтникель-кадмиеВыйс&инцоВиа

3. Передвижные электроустановкиа

4. Рис.3.1 Удельные показатели автономных источников питания с электроустановками и ХИТ.

5. Чем выше первые четыре характеристики и ниже пятая и шестая, тем более универсальное применение у данного химического источника тока.

6. По принципам работы ХИТ разделяют на три группы: первичные, вторичные и топливные элементы (рис.3.2).

7. Рис.3.2 Схема классификации ХИТ

8. Для сравнения удельных характеристик гальванических элементов на рис.3.3 приведена гистограмма.4 *

9. Рис.3.3 Удельные энергия Wy (а) и максимальная мощность Ру (б) гальванических элементов: 1 марганцевые солевые, 2 - марганцевые щелочные; 3 - ртутно-цинковые.

10. Сравнительные гистограммы основных показателей топливных элементов представлены на рис.3.4 5,17,63,86.