Оглавление

Выбор рационального привода

    Основная  задача проектирование рационального  электропривода состоит в том, чтобы  наиболее правильно сочетать свойства всех его элементов со свойствами рабочей машины и технологического процесса, выполняемого машинным устройством.

    Свойства  технологического процесса и рабочей  машины, значение которых необходимо для проектирования электропривода, описываются приводными характеристиками машин: технологической, кинематической, энергетической, механической, нагрузочной, инерционной.

Технологическая характеристика

    Цель  вентиляционной установки ¾ поддержание параметров микроклимата на уровне зоотехнических и санитарно-гигиенических норм. Под микроклиматом в птицеводческом помещении понимается совокупность физических и химических факторов сформировавшейся внутри них воздушной среды. К важнейшим параметрам относятся: температура и относительная влажность воздуха, скорость его движения, его состав, наличие взвешенных частиц. В процессе жизнедеятельности птицы в воздушную среду выделяются избытки тепла, влаги, углекислого газа и других соединений, но в меньших количествах. Эти избытки смешиваясь с воздухом образуют нежелательные или даже вредные концентрации соответствующих веществ. Одновременно с этим вентиляционная установка за счет разности парциальных давлений внутри и снаружи воздуховодов создает вынужденное движение воздуха, в результате которого происходит удаление загрязненного воздуха, одновременно с этим из-за создавшегося разряжения происходит подсос воздуха из существующих не плотностей и специальных вентиляционных просветов. Загрязненный воздух перемещается внутри специальных конструкций ¾ воздуховодов. Таким образом происходит процесс воздухообмена, кратность которого зависит от того на сколько те или иные параметры воздуха в данный момент отличается от заданных нормами. Разность парциальных давлений создается механическим способом ¾ осевым вентилятором (ВО), приводимым во вращение электродвигателем. Электродвигатель защитного обдуваемого исполнения непосредственно соединенный с валом осевого вентилятора. Для изменения кратности воздухообмена необходимо менять скорость вращения вентилятора а, следовательно, и электродвигателя. Изменять скорость вращения можно следующими способами: 1) применение многоскоростного электродвигателя ¾ не рационально т.к. требуется изменять скорость в широких пределах (1:5 по заданию), а это в свою очередь ведет увеличению стоимости двигателя, его габаритов, веса, усложнению монтажа и т.д.; 2) применение двигателя с фазным ротором ¾ тоже; 3) использование разнообразных частотных преобразователей ¾ перспективно, но в настоящий момент очень дорого; 4) изменять напряжение питания двигателя, что воплотить можно как с использованием автотрансформаторов (дорого), так и с помощью тиристорных регуляторов напряжения, ¾ на мой взгляд, оптимальный вариант. Мощность электродвигателя, тип вентилятора, сечение воздуховодов будут определены дальнейшими расчетами.

Рис. №1. Технологическая характеристика

1 ― вентилятор типа ОВ; 2 ― удаляемый воздух; 3 ― направление движения удаляемого воздуха внутри вытяжных каналов; 4 ― вытяжные каналы.

Расчет  требуемой подачи и давления вентилятора при подогреве пола.

    Тип и количество вентиляторов определяется исходя из необходимой суммарной  производительности вентиляционной установки. За расчетную производительность системы вентиляции принимается максимально возможный необходимый расход воздуха по условиям удаления влаги, тепла, углекислоты.

    Вентиляционная  норма (м³/ч):

    L_н = L_ж / (l_д – l_в),

    где L_ж ― количество вредных примесей, выделяемых животными м³/ч (л/ч, г/ч) [Приложение №1]; l_д ― допустимое по нормам количество вредных примесей, отн. ед. (л/м³) [Приложение №2]; l_в ― количество вредных примесей в наружном воздухе, отн. ед. (л/м³)[задание].

    По  выделению углекислого газа:

    L_ж = 0,86 л/ч; l_д = 2,5 л/м³(0,25%); l_в = 0,3 л/м³(0,03%); тогда L_н = 0,86 / (2,5 – 0,3) = 0, 39 м³/ч.

    По  выделению влаги:

    L_ж = 0,92 г/ч; l_д = 75 % (12г/м³)*; l_в = 70 % (10,2г/м³)*; тогда L_н = 0,92 / (12 – 10,2) = 0,51 м³/ч.

    * ― по диаграмме i – d (энтальпия ― влагосодержание) [Приложение №3]

    По  избытку теплоты в помещении:

    где Q ― количество теплоты выделяемое одной птицей в единицу времени кДж/ч [Приложение №1]; с ― теплоемкость воздуха кДж/(м³×°С);  ― разность температур воздуха снаружи и внутри помещения °C(К); k ― коэффициент запаса, учитывающий тепловыделение экскрементов, освещения и другого технологического оборудования.

    Q = 0,0216 кДж/ч; k = 1,3; с = 1,282 кДж/(м³×°C);

    Дальнейшие  расчеты будем вести по наибольшей полученной норме, т.е. по избытку выделяемой влаги в помещении L_ж = 0, 51 м³/ч.

    Подачу  вентилятора L определим по вентиляционной норме L_н = 0,51 и числу животных k_г = 5000 шт. в помещении (м³\ч):

    L = 5000× 0,51 = 2550 м³/ч.

    Для определения потребной мощности электродвигателя, приводящего в  движение вентилятор помимо объемной подачи воздуха необходимо знать  требуемое давление воздуха, при  котором будет осуществляться его подача (вытяжка). Требуемое давление (Па), в свою очередь, определяется:

    Р_ТР = 1,05×(Р_Л + Р_М + Р_Min +  Р_ВАК),

    где 1,05 ― запас на случаи возможного подсоса воздуха из технологических не плотностей в размере 5%; Р_Л ― линейные потери в трубопроводе, Па; Р_М ― местные потери в трубопроводе, Па; Р_Min ― минимально необходимое давление воздуха для поддержания заданной скорости движения (200 Па); Р_ВАК ― возможное вакуумметрическое давление внутри животноводческого помещения, Па.

    Наметим в качестве материала воздуховода листовую сталь (жесть) как наиболее пластичный и недорогой материал. С учетом этого линейные потери в трубопроводе, Па:

    Р_Л = 64,8×

    где  ― скорость движения воздуха в трубопроводе, м/с [Приложение №4],  ― плотность воздуха при температуре Т (минимальная температура внутри помещения, фактически ― рекомендуемая для данного вида животного), кг/м³;  ― диаметр трубопровода, или, в случае прямоугольного его сечения ― _Э эквивалентный диаметр, мм; L_В ― длина воздуховода, мм.

    Выбор скорости воздуха внутри воздуховодов обусловлен следующими факторами:

• Высшая скорость движения воздуха соответствует меньшему сечению воздуховодов и как следствие меньшему занимаемому ими объему, меньшей металлоемкости, весу, более простому их креплению и монтажу и в конечном итоге меньшим затратам;
• Высшей скорости движения соответствует высший уровень создаваемого системой вентиляции шума, что неблагоприятно сказывается как на обслуживающем персонале, так и на животных;
• Высокая скорость движения воздуха требует применения эффективных рассредоточивающих воздушный поток насадок, для того чтобы избежать появления высоких ламинарных скоростей внутри помещения (сквозняков), которые в свою очередь вызывают появление разнообразных простудных заболеваний у животных, нередки случаи обезвоживания организма лиц обслуживающего персонала. Рекомендуемая скорость движения воздуха внутри птицеводческих помещений составляет 0,1-1,2 м/с;
• Малая скорость движения воздуха затрудняет очистку помещений от пыли, влаги и вредных микроорганизмов;
• Чем выше скорость движения воздуха, тем большее сопротивление оказывает воздуховод проходящему воздуху, следовательно, требуется установка более мощного двигателя для привода вентилятора, а это в свою очередь меньший КПД, бόльшие капиталовложения ― меньшая эффективность всей системы в целом.

    С точки зрения этих позиций оптимальной  скоростью движения воздуха внутри воздуховодов птицеводческой фермы является 1―5 м/с. В промышленных вентиляционных установках при запыленном воздухе такие низкие значения скорости недостаточны, так как частицы мелкой пыли налипают на стенки воздуховодов, повышая сопротивление сети и тем самым нарушают ее работу. Поэтому в особо пыльных помещениях с протяженными горизонтальными участками воздуховодов (100 м и более) рекомендуемыми скоростями являются 16―18 м/с.

    Принимаем  = 4 м/с.

    Плотность воздуха определяется следующим  образом:

    

 =  ,

    где  ― удельная плотность воздуха равная 1,29 кг/м³,  =   ― коэффициент учитывающий относительное увеличение объема воздуха при нагревании его на 1°C, Т ― температура воздуха °C.

    При Т = 21,1°C  =   = 1,20 кг/м³.

    Для определения  найдем сначала ориентировочную суммарную площадь вытяжных каналов S_общ м²:

    S_общ = 

    Т. к. намечаем использование воздуховода  круглого сечения, определим его  диаметр:

    D = 

    Принимаем ближайший стандартный воздуховод ― 500 мм (0,196 м²) [Приложение №5].

    Уточним скорость:

    

 =   =   = 3,9 м/с.

    Длина воздуховода составляет (самой удаленной  точки А) L_В = 87 м.

    Тогда линейные потери в трубопроводе:

    Р_Л = 64,8×

    Следует отметить, что линейные потери величиной 23 Па в воздуховоде длиной 87 м очень маленькая величена. Это вызвано большим сечением воздуховода. Здесь следовало бы произвести пересчет, увеличив скорость движения воздуха и тем самым, уменьшив диаметр воздуховода, но т.к. данная курсовая работа имеет скорее иллюстративный характер, нежели какую-либо практическую ценность, то остановимся на полученных величинах.

    Минимально  необходимое давление воздуха для  поддержания заданной скорости движения Р_Min = 200 Па.

    Вакуумметрическое давление может возникнуть в случае недостатка приточного воздуха. Например, в случаи отсутствия или нехватки мощности приточной вентиляции при  значительной герметизации животноводческого  помещения. В общем случае, как показывает практика [5] оно не превышает величены 50 Па, поэтому Р_ВАК = 50 Па.

    Определим местные потери, Па:

    Р_М = 

    где  ― коэффициент местного сопротивления [Приложение №6];  ― плотность воздуха при данной температуре, кг/м³;  ― скорость движения воздуха, м/с.

    На  участке от входного дефлектора (точка  А) до вытяжного патрубка с зонтом имеются следующие местные сопротивления  и соответствующие им коэффициенты местного сопротивления:

1. Дефлектор входной  = 2 ― 1 шт.;
2. Колено круглого поперечного сечения  = 1,1 ― 10 шт.;
3. Тройник  = 0,6 ― 3 шт.;
4. Фильтр сетчатый  = 4 ― 2 шт.;
5. Внезапное сужение воздуховода  = 0,47 ― 2 шт.;
6. Зонт   = 1,6 ― 1 шт.

    Тогда

    Р_М = 

    Р_ТР = 1,05×(Р_Л + Р_М + Р_Min +  Р_ВАК) = 1,05×(23 + 200 + 231 + 50) = 529 Па.

Выбор вентилятора

    Тип

    Тип вентилятора определен заданием ― ВО (вентилятор осевой). Следует отметить, что для данного типа вентилятора характерны большие подачи при малых давлениях с несколько повышенным уровнем шума по сравнению с другими типами вентиляторов.

    Внутренний  диаметр выходного  патрубка (типоразмер)

    Критериями  выбора типоразмера вентилятора  являются, во-первых, наличие свободного  места под его установку, во-вторых, разница в диаметрах у выходного патрубка вентилятора и воздуховодов должна быть минимальна т.к. в противном случае сам вентилятор становится значительным местным сопротивлением и, в-третьих, как правило, больший размер вентилятора соответствует большему уровню шума.

    В данном случае в наличии свободного пространства проблем нет, к уровню шума повышенных требований на предъявляется, воздуховоды имеют довольно большое  сечение (S_общ = 0,196 м², D = 0,48 м), целесообразно остановиться на полноразмерном для данных подач типоразмере в 400 мм.

    Масса

    Ни  как не нормируется. Однако следует  учесть что при весе до 50 кг монтаж допускается производить вручную, свыше 50 кг ― с применением специальных средств.

    Скорость  вращения

    Определяется  аэродинамическими характеристиками конкретного вентилятора. Однако, следует учесть что потребная для вращения крыльчатки мощность N_ТР ~ n³, где n ― скорость вращения, поэтому при подборе электродвигателя с несколько большей частотой вращения от него потребуется значительно большая мощность.

    КПД вентилятора

    Очень важно правильно выбрать тот  или иной вентилятор по так называемой зоне рационального использования. Т.е. для любого вентилятора существуют такие значения давления и подачи при которых его КПД максимален. А если за рациональный (приемлемый) КПД принять некоторый диапазон, скажем от 55% до максимального значения то совокупность значений давлений и подач как раз и образуют зону рационального использования.

    Теперь, когда мы определились с вышеперечисленными характеристиками по известным параметрам Р_ТР и L с помощью графиков аэродинамических характеристик [Приложение №7] подберем вентилятор. Для этого сравним все имеющиеся варианты и выберем тот, который удовлетворял бы нас по своим габаритным размерам, частоте вращения и обладающий максимальным КПД из всех существующих вариантов.

    Выбираем  вентилятор типа ВО марки СВМ – 4М со следующими характеристиками:

• Внутренний диаметр выходного патрубка ― 400 мм;
• Объемный расход воздуха ― 6300 м³/ч;
• Давление, не мение ― 850 Па;
• КПД, не менее ― 57 %;
• Максимальная мощность устанавливаемого двигателя ―2,2 кВт;
• Масса ― 46 кг.

    Исходя  из аэродинамических характеристик, вентилятор СВМ – 4М обеспечивает требуемые характеристики ― давление 529 Па при подаче ~ 2750 м³/ч при частоте вращения крыльчатки ω_н = 2500 об/мин.

    Мощность  требуемая для привода вентилятора, кВт:

    N_В = 

    где  = 0,57 ― КПД вентилятора.

    Тогда    N_В =   = 657 Вт. 

Выбор электродвигателя

    Потребная мощность электродвигателя:

    N_Э = 

    где  ― коэффициент запаса, зависящий от мощности ( ) и типа вентилятора [Приложение №8];  ― КПД привода;  ― КПД подшипников вентилятора [5].

    Т.к. планируем вентилятор соединять  с осью электродвигателя через муфту  то  = 0,98 %; КПД пары подшипников качения 2×0,98 % = 0,96 %; для осевого вентилятора  = 1,1. Тогда

    N_Э = 

    Тип электродвигателя ― асинхронный  с короткозамкнутым ротором, как  наиболее дешевый из своего класса. На сегодняшний день наиболее рационально  использовать электродвигатели второй единой серии А2 и АО2. По способу  механической защиты ― закрытый обдуваемого исполнения (АО2).

    Для обеспечения условия регулирование  частоты вращения двигателей с диапазоном 1 : 5 необходимо применять электродвигатели с повышенным скольжением [марки ― АОС2 (чугун) и АОЛС2 (алюминий)].

    Учтя  N_Э = 768 Вт и n = 2500 об/мин выберем электродвигатель [Приложение №9] АОЛС2-11-2 мощностью 800 Вт, синхронной частотой вращения 3000 об/мин, асинхронной ― 2815 об/мин, Cosφ = 0,86, КПД = 78%, кратность пусковых силы тока k_i = 7, момента ― m_n = 1,9, маховый момент ротора 0,005 кг·м².

    Уменьшить скорость вращения представляется возможным  за счет семы автоматики, которая и  будет производить автоматическое регулирование.

Кинематическая  характеристика

    Вал электродвигателя жестко соединен с  осью вентилятора, т.е. соединение не упругое с отсутствием всевозможных зазоров. Поэтому всю конструкцию можно представить как одно-массовое тело массой m, вращающееся с угловой скоростью w. В каждый момент времени разность тягового момента двигателя и момента сопративления приводит в движение машину. При М_м > М_с происходит пуск, разгон и переход сменьшей на большую скорость движения машины; при М_м < М_с происходит торможение, остановка и переход с большей на меньшую скорость движения машины; при М_м = М_с ¾ установившийся режим работы и покой машины. 

    Рис. №2. Кинематическая характеристика  

    М_с ¾ момент сопративления машины (~n³), М_м ¾ тяговый момент электродвигателя, w_м и w_д ¾  угловая скорость машины и двигателя соотвецтвенно (w_м = w_д).

Механическая  характеристика

    Механическая  характеристика определяется уравнением:

    М_св = М_о + (М_сн - М_о)·(n/n_н)²,

    Где М_св ¾ момент сопротивления вентилятора при частоте вращения n; М_сн ¾ момент сопротивления вентилятора при номинальной частоте вращения n_н; М_о ¾ момент сопротивления трения в подшипниках вентилятора.

    Угловая скорость вращения вентилятора:

    ω_н = 

    Номинальный момент сопротивления вентилятора  определяется:

    М_сн = N_В/ω_н = 657/262 = 2,51 н·м.

    Момент  сопротивления трения в подшипниках  определим исходя из того что КПД пары подшипников качения составляет 0,96 %, тогда мощность затрачиваемая на преодоления этого трения составит 652·0,0096 = 6,3 Вт. Этой мощности соответствует момент:

    М_о = 6,3/ω_н = 6,3/262 = 0,024 н·м.

    Тогда уравнение механической характеристики примет вид:

    М_св = 0,024 + (2,51 - 0,024)·(n/2500)²,

    М_св = 0,024 + 2,486·(n/2500)².  (1)

    Для построения механической характеристики составим таблицу значений моментов сопротивлений для диапазона  возможных скоростей ¾ 0 ~ 3000 об/мин: 

    Полученные  значения наглядно отражает график механической характеристики рис. №3.

    Из  диаграммы видно что значительные моменты сопротивления возникают  лишь при максимальных частотах вращения. Поэтому на пуск двигателя какого-либо значительного влияния статические  моменты не оказывают.

    Для оценки сложности момента пуска необходимо также учесть действие динамических тормозящих моментов ¾ моментов инерции.

Инерционная характеристика

    Момент  трогания (пуска) вентилятора незначительно превышает момент трения, поэтому нет необходимости проверки электродвигателя по условиям трогания. Однако необходимо убедиться в том что время пуска не превышает критического значения. Для электродвигателей серии АО2 при средней скорости нарастания температуры обмотки 7ºС/с, находящейся под пусковым током ¾ 15с.

    Расчет  проведем в упрощенной форме.

    Момент  инерции всей конструкции в целом  определим как сумму махового момента ротора электродвигателя и  осевого момента инерции крыльчатки вентилятора. Осевой момент инерции  крыльчатки вентилятора приближенно  может быть определен следующим  образом:

    J = 

    где m ¾ масса крыльчатки вентилятора (~ 20% от веса вентилятора, т.е. 46 · 20% = 9,2 кг), R ¾ (внутренний радиус выходного патрубка за вычетом радиального зазора, т.е. 200 – 10 = 190 мм). Тогда

    J_к = 

    И суммарный момент J = J_к + J_эл.дв =0,027 + 0,005 = 0,032 кг·м².

    Кинетическая  энергия которой обладает весь механизм на номинальной частоте вращения (2500 об/мин = 262 рад/с):

    Wк = J·

    Мощность  которую развивает выбранный  нами электродвигатель ¾ 800 Вт. Однако часть этой мощности будет расходоваться на преодоление тормозящего момента сопротивления М_св. Определим эту часть. Т.к. момент сопротивления вентилятора плавно изменяется от 0 до 2,51 Н·м (при n = 2500 об/мин), что наглядно видно из графика механической характеристики, то необходимо найти его приведенное (усредненное) значение. Для этого проинтегрируем уравнение механической характеристики (1):

    M_пр =