ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

Чаусов Сергій Володимирович

УДК 631.17:631.363

Обґрунтування енергозберігаючих режимів роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів

05.09.16 – електротехнології та електрообладнання
в агропромисловому комплексі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мелітополь - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Діордієв Володимир Трифонович, Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри “Автоматизація сільськогосподарського виробництва”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Корчемний Микола Олександрович, професор кафедри “Автоматизація сільськогосподарського виробництва” Національного аграрного університету;

кандидат технічних наук, доцент Федюшко Юрій Михайлович, доцент кафедри “Енергетика” Таврійської державної агротехнічної академії.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет сільського господарства Міністерства аграрної політики України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 26 ” вересня 2003 року о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради K 18.819.01 Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312 Україна, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького 18, навчальний корпус 1, коференцзал.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Таврійської державної
агротехнічної академії (72312 Україна, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького 18).

Автореферат розісланий “ 7 ” серпня 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К.18.819.01

доктор технічних наук, професор ________________________ В.Т. Надикто.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасна ситуація на ринку енергоресурсів обумовлює необхідність аналізу ефективності використання енергії при функціонуванні будь-якого виробництва паралельно з урахуванням кількісних і якісних показників. У зв’язку із зростаючою складністю одержання енергії і дефіциті доступних енергоресурсів, при розвитку енергоємних технологій виникає необхідність економії енергії взагалі і зокрема електроенергії.

Виробництво комбікормів є складним, енергоємним і багатоопераційним процесом, вартість енерговитрат у якому сягає 30% собівартості продукції. В Україні у 2002 році було вироблено близько 2,3 млн. тон комбікормів, причому спостерігається явна тенденція щодо збільшення кількості комбікорму, виробленого на малогабаритних комбікормових агрегатах (МКА) господарського підпорядкування. Оскільки при сучасній економічній ситуації в агропромисловому комплексі лише МКА забезпечують можливості одержання високоякісної продукції з мінімальною її собівартістю при існуючому рівні енерговитрат.

Основним споживачем енергоресурсів в робочих процесах МКА є приводне силове електроустаткування, яке перетворюючи електричну енергію в механічну, є джерелом енергії для технологічних машин. Сучасні системи управління робочими машинами МКА, які побудовані за принципом забезпечення номінального завантаження приводних електродвигунів не виконують аналіз витрат електричної енергії й ефективності її використання, що не забезпечує виробництво комбікорму з мінімально можливими витратами електроенергії. Для зменшення витрат електроенергії при виробництві комбікормів доцільною є адаптація технологічних режимів роботи силового електрообладнання до фізико-механічних властивостей компонентів комбікормів з урахуванням поточного стану технологічного обладнання й впливу збурень та інших чинників, які знижують енергетичні показники роботи малогабаритних комбікормових агрегатів.

Комбікорми, як збалансована по вмісту живильних речовин, вітамінів, мінералів і підготовлена для згодовування суміш, є найбільш ефективним кормом для сільськогосподарських тварин. При подальшому економічному розвитку України і відродженні галузі тваринництва, потреба в комбікормах буде стрімко зростати, відповідно зросте й споживання електроенергії на їх виробництво. Оскільки в даний час виробити одиницю палива чи енергії приблизно вдвічі дорожче, ніж заощадити, актуальними є питання розробки методів енергозбереження при виробництві комбікормів, зокрема, обґрунтування енергозберігаючих режимів роботи силового електрообладнання, інформативних параметрів контролю й регулювання. Окрім цього доцільною є розробка рекомендацій щодо реалізації енергозберігаючих режимів роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до Державної науково-технічної програми Міністерства України у справах науки і технологій 3.12 “Енерго і ресурсозбереження у сільськогосподарському виробництві”, тематикою міжвузівських наукових і науково-технічних програм щодо пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки (Наказ Міністерства Освіти України № 37 від 13.02. 96, п. 2) та Програмою №1 науково-дослідних робіт Таврійської державної агротехнічної академії на 2001-2005 роки “Розробка наукових основ систем технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки Південного регіону України” (підпрограма 1.13.3. “Енергозберігаючі системи управління малогабаритними комбікормовими установками”, державний реєстраційний номер 0102V000687).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – зниження витрат електричної енергії при виробництві комбікормів на малогабаритних комбікормових агрегатах за рахунок забезпечення енергозберігаючих режимів роботи силового електроустаткування з урахуванням змінних властивостей компонентів і стану робочих машин.

Для реалізації даної мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Проаналізувати ефективність процесу споживання і перетворення електричної енергії, а також основні чинники і збурення, які впливають на ефективність використання електричної енергії в малогабаритних агрегатах для виробництва комбікормів.

2. Розробити математичну модель, що описує вплив режимів роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів на перетворення і використання електричної енергії при виробництві комбікормів.

3. Експериментально дослідити закономірності впливу режимів роботи силового електрообладнання на ефективність використання електричної енергії при виробництві комбікормів на малогабаритних комбікормових агрегатах.

4. Визначити параметри і критерії енергозберігаючого управління, і на їх основі розробити технічні засоби, алгоритми управління і програмні засоби, які забезпечують енергозберігаючі режими роботи електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів.

5. Розробити рекомендації щодо реалізації енергозберігаючих режимів роботи в процесі виробництва комбікормів в умовах господарств.

Об’єкт дослідження – процес перетворення і використання електричної енергії при виробництві комбікормів на малогабаритних комбікормових агрегатах.

Предмет дослідження – закономірності впливу режимів роботи силового електрообладнання та основних фізико-механічних властивостей компонентів на процес споживання і використання електричної енергії при виробництві комбікормів на малогабаритних комбікормових агрегатах.

Методи досліджень При розробці моделі перетворення та використання електричної енергії в малогабаритних комбікормових агрегатах використовувалися методи параметричного аналізу складних систем, енергетичного балансу в асинхронних машинах змінного струму, фізики ударної взаємодії і переміщення тіл у сипучих середовищах, а також механіки руйнування тіл. При підготовці і проведенні експериментальних досліджень енерговитрат подрібнення і процесів дозування використовувалися методи планування експерименту та методи математичної статистики. Експериментальні дослідження проводилися з використанням розроблених і виготовлених експериментальних робочих машин МКА, за допомогою сучасних стандартних вимірювальних приладів.

Теоретичні дослідження питомих витрат електричної енергії малогабаритних комбікормових агрегатів виконувалися з використанням як стандартних так і розроблених автором комп’ютерних програм.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше запропонована математична модель, що описує вплив режимів роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів на перетворення і споживання електричної енергії при виробництві комбікормів, яка дозволяє обґрунтувати енергозберігаючі режими його роботи.

2. Дістало подальший розвиток вивчення впливу режимів роботи електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів на ефективність використання електричної енергії при виробництві комбікормів, що дозволило розробити критерій енергозберігаючого управління малогабаритними агрегатами.

3. Вперше розроблено енергозберігаючий метод багатопараметричного управління режимами роботи електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів, який дозволяє підвищити ефективність використання електричної енергії при виробництві комбікормів на МКА.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Обґрунтовано енергозберігаючі режими роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів, які дозволяють знизити питомі витрати електричної енергії на 5-9 %.

2. Запропоновано алгоритм, програмні та технічні засоби, які забезпечують енергозберігаючі режими роботи електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів і дозволяють підвищити гнучкість технологічного процесу та поліпшити показники якості комбікорму, розроблено рекомендації щодо реалізації енергозберігаючих заходів при виробництві комбікормів.

3. Результати досліджень впроваджені у фермерському господарстві “Валентина” Нововоронцовського району Херсонської області, а також використані при модернізації цеху по виробництву комбікормів комбінату хлібопродуктів смт Новоалексіївка Херсонської області (акти впровадження результатів НДР відповідно від 09.09.01 та 05.10.01).

Новизна досліджень підтверджена рішенням Українського інституту промислової власності про видачу патенту на винахід № 45883А “Пристрій енергозберігаючого керування процесом багатокомпонентного подрібнення”.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто:

1. Досліджено процеси споживання і перетворення електричної енергії в силовому електрообладнанні малогабаритних комбікормових агрегатів, і виявлені основні чинники, які впливають на ефективність використання електричної енергії.

2. Розроблено математичну модель, яка описує процес перетворення і використання електричної енергії в залежності від режимів роботи облалднання при виробництві комбікормів на малогабаритних агрегатах, на підставі якої обґрунтовані енергозберігаючі режими роботи силового електрообладнання.

3. Експериментально встановлені режими роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів, які забезпечують зниження витрат електричної енергії при виробництві комбікорму.

4. Розроблено алгоритм, програмні і технічні засоби для реалізації енергозберігаючих режимів роботи електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів.

5. Розроблено рекомендації щодо реалізації режимів роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів, що дозволяють підвищити ефективність використання електричної енергії при виробництві комбікормів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були викладені та обговорені:

- на науково-практичній конференції “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (м. Харків, 2000 р.).

- на другій та четвертій міжнародних конференціях “Scientific Conference on Microprocessor Systems in Agriculture” (м. Плоцьк, Польща, 1997 та 2001 рр.).

- на міжнародній конференції “Землеробська механіка на рубежі сторіч” (м. Мелітополь 2001 р.).

- на міжнародній конференції “Енергетика в АПК” (м. Мелітополь 2002 р.).

- на науково-технічних конференціях співробітників Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь 1995-2003 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 статей.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури та додатків в яких містяться розрахункові таблиці, схеми, а також акти впровадження. Повний обсяг дисертації складає 227 сторінок, із них 170 сторінок основного тексту, у тому числі 49 ілюстрацій на 22 сторінках і 8 таблиць на 5 сторінках, а також 14 додатків на 23 сторінках. Список використаних джерел містить 222 бібліографічних посилання (в тому числі 20 на іноземних мовах) – на 17 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи с точки зору енергозбереження в малогабаритних комбікормових агрегатах, проаналізовано сучасний стан наукових досягнень, визначені вхідні дані, сформульована мета та задачі дослідження.

У першому розділі “Аналіз процесів перетворення та використання електричної енергії при виробництві комбікормів” в результаті вивчення літературних даних проведено аналіз принципів організації виробництва комбікорму, на підставі чого встановлені головні технологічні операції, розподілення витрат електричної енергії на них та сформульовано технологічні вимоги до роботи малогабаритних комбікормових агрегатів. При аналізі перетворення та використання електричної енергії, що споживається з електричної мережі силовим приводним електрообладнанням робочих машин МКА в режимах роботи близьких до номінальних встановлено, що головні витрати електричної енергії пов’язані з виконанням машинами технологічних операцій.

При аналізі існуючих напрямків енергозбереження в приводному силовому електрообладнанні встановлено, що зменшення витрат електричної енергії принципово може бути досягнуто двома способами: покращенням показників перетворення електричної енергії та покращанням використання її в робочих процесах технологічних машин. В силовому приводному електрообладнанні МКА існує можливість застосування обох цих способів, при цьому додаткове зниження загальних витрат електричної енергії може бути досягнуто за рахунок удосконалення та узгодження режимів роботи робочих машин.

Проведений аналіз літературних джерел показав, що в даний час накопичений великий і цінний практичний досвід в галузі дослідження робочих процесів окремих операцій МКА, при цьому особливий інтерес представляє процес подрібнення, оскільки дана операція є найбільш енергоємним етапом виготовлення кормів, на який витрачається до 70% сукупних витрат електричної енергії. Дослідженнями процесів однокомпонентного подрібнення займалися М.Б. Фабрикант, А.П. Афанасьєв, М.В. Макаров, які створили теоретичні основи процесу подрібнення. Дослідження, проведені В.П. Горячкіним, С.Б. Грушевим, С.В. Мельниковим, В.И. Сироваткой, С.Г. Карташовим і іншими дозволили розробити методику проектування й удосконалити параметри дробарок молоткового типу. Встановлено, що при управлінні завантаженням дробарки за принципом забезпечення номінального струму привідного електродвигуна, який використовується у стандартних системах управління МКА, неможливо досягти мінімальних витрат електроенергії на процес подрібнення. Це обумовлено тим що, в даному випадку кількість сировини у камері дробарки визначається не її фактичною продуктивністю при змінних фізико-механічних властивостях компонентів комбікорму і стані робочих органів, а необхідним моментом опору робочої машини.

Подальші роботи, що були виконані Б.П. Чебою, В.И. Грицаєнко, В.И. Горних, В.П. Ромадіним, Б.П. Жиганковим, Б.П. Шацким і ін. були присвячені удосконаленню енергетичних параметрів окремих технологічних машин МКА. Вивченням процесів транспортування та дозування займались А.А. Ларіонов, Н.Е. Авдєєв, В.А. Кузьменко та ін. Однак на даний час відсутня методика, що дозволяє проаналізувати вплив режимів роботи обладнання на ефективність перетворення та використання електричної енергії як в окремих технологічних операціях так і в МКА в цілому. При цьому встановлено, що найбільш інформативним показником для визначення енергозберігаючих режимів роботи є питомі витрати електричної енергії на процес виробництва комбікорму.

Встановлено, що дослідження впливу режимів роботи силового електрообладнання на процеси перетворення та використання електричної енергії найбільш доцільно проводити на базі малогабаритної комбікормової установки вітчизняного виробництва УМК-Ф-2. Оскільки при комплексному аналізі існуючих малогабаритних комбікормових агрегатів визначено, що технологічна структура, яка реалізована в агрегатах цього типу є найбільш поширеною як у МКА так і великих комбікормових виробництвах. Окрім цього даний тип машин має значно кращі перспективи розвитку у зв’язку з мінімальними сукупними витратами на виробництво комбікормів у порівнянні з агрегатами вітчизняного та закордонного виробництва.

У другому розділі “Теоретичний розгляд процесів перетворення та використання електричної енергії при виробництві комбікормів” для визначення енергозберігаючих режимів роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів на підставі аналізу процесів перетворення електричної енергії в асинхронних двигунах було отримано вираз, що дозволяє визначити питомі витрати електричної енергії в узагальненій робочій машині МКА:

(1)

де А - питомі витрати електричної енергії в силовому електрообладнанні робочої машини МКА, Дж/кг;

DPа - втрати потужності, що обумовлені технологічним процесом робочої
машини, Вт;

q - завантаження машини, кг/с;

hд - ККД привідного асинхронного електродвигуна;

hп - середній ККД передачі електродвигун-робоча машина.

Визначено, що в технологічно допустимих режимах роботи обладнання ефективність перетворення електричної енергії в робочих процесах машин малої енергоємності (дозування та транспортування) істотно не змінюється, а отже може бути визначена за допомогою паспортних даних приводних електродвигунів. А при розгляді перетворення електричної енергії в привідних електродвигунах дробарок, в зв’язку зі значною енергоємність робочого процесу, ККД повинен бути врахований змінною величиною і розрахований за виразом:

(2)

де Pа - електромагнітна потужність, що передається від статора до ротора асинхронного двигуна, Вт;

Pа_ном- електромагнітна потужність, що передається від статора до ротора асинхронного двигуна в режимі роботи з номінальним завантаженням, Вт;

DP1 - втрати потужності, втрати потужності у статорі двигуна, Вт.

Для визначення впливу режимів роботи обладнання на використання електричної енергії в робочих процесах МКА була зроблена декомпозиція базового агрегату з метою визначення найбільш суттєвих і порівняно автономних його елементів, на підставі попереднього аналізу виявлено, що сумарні витрати енергії на приготування комбікормів є адитивною а функцією технологічних процесів транспортування, дозування, подрібнення компонентів і транспортування готового комбікорму. Проведена параметризація МКА (рис.1) дозволила представити ці технологічні

Рис.1. Параметрична схема ТП МКА.

операції у вигляді субблоків та визначити для кожного з них вектори вихідних змінних, параметрів стану, управлінь та збурень. На підставі чого можна зробити висновок, що з позицій використання енергії робочі машини базових технологічних операції виробництва комбікорму основними вихідними змінними мають: W – прямі витрати електричної енергії, Дж; А – питомі витрати електричної енергії, Дж/кг. Основними параметрами стану є: Q – продуктивність, т/год; N – потужність, що споживається, Вт; та питомі енерговитрати на кожний з процесів Аi, кДж/кг; x – ступінь зношеності робочих органів дробарки; t – час, що витрачається на кожну операцію, хв. Основні керуючі впливи: висота h та довжина l транспортування компонентів, м; q – завантаження машин, кг/с; ni – частота обертання робочих органів агрегатів, с-1. На процес приготування комбікормів впливають такі збурення: gк – питома вага компонента, кг/м3; mк – масова частка компоненту в комбікормі; yк – вологість компонента, %; а також - матриця-вектор, що має місце при багатокомпонентному подрібненні і описує рецепт комбікорму, який виготовляється за допомогою вказаних вище параметрів компоненту.

Після аналізу параметричної схеми базового МКА, на підставі фізичних закономірностей, які описують технологічні процеси в робочих машинах агрегату, було отримано математичну модель, що описує процеси перетворення, та використання електричної енергії у силовому електрообладнанні малогабаритних комбікормових агрегатів:

(3)

де Nхх - потужність, що споживається дробаркою при відсутності завантаження, Вт;

- вектор-строка, елементи якої характеризують наявність та кількість дозуюче- транспортних агрегатів одного виду у КПТЛ даної конфігурації.;

- вектор-стовпець, елементи якого відбивають птоимі витрати електроенергії у

у дозуюче-транспортному агрегаті одного виду;

k - коефіцієнт відновлення швидкості зернин при співударі з молотком;

a - коефіцієнт, що характеризує сівкість решета;

xi - частка компонента в рецепті комбікорму, в.о;

квi - коефіцієнт вологості компоненту;

крi - коефіцієнт розмолоздатності компоненту;

кср - коефіцієнт питомого опору середовища щодо переміщення молотка, Н/м2;

D - діаметр камери дробарки, м;

Dzс - зазор між краями молотків та декою дробарки, м.

lк - ширина камери дробарки, м;

а - ширина ряду молотка, м;

zм - кількість рядів молотків;

n - частота обертання ротора дробарки, с-1;

q - завантаження камери дробарки, кг/с.

В результаті проведеного дослідження математичної моделі МКА визначено, що найбільший вплив на витрати електричної енергії має процес подрібнення. Дослідження рівняння (3) дозволило встановити, що при різних фізико-механічних властивостях компонентів функція питомих витрат електричної енергії процесу подрібнення в залежності від режимів роботи та стану обладнання має екстремум (див. рис. 2). Отже, при будь-яких вхідних фізико-механічних властивостях компонентів в залежності від завантаження, частоти обертання ротора дробарки і стані робочих органів в кожний момент часу існують такі режими роботи силового електрообладнання, при яких витрати електричної енергії мінімальні.

Для забезпечення енергозберігаючого управління технологічним процесом МКА потрібно експериментально визначити параметри моделі і провести розробку технічних засобів, необхідних для забезпечення енергозберігаючих режимів роботи силового електрообладнання МКА.

Рис.2. Теоретична залежність питомих енерговитрат КПТЛ при різних режимах роботи

а) - функціонал питомих енерговитрат; б) - карта ліній рівня.

В третьому розділі “Експериментальні дослідження впливу режимів роботи на ефективність використання електричної енергії при виробництві кормів на МКА” дисертації наведено результати експериментальних досліджень основних технологічних операцій процесу виробництва комбікорму. При параметризації і дослідженні математичної моделі МКА було встановлено, що чинники, які найбільшою мірою впливають на процес перетворення та використання електроенегіїї в робочих машинах МКА, можуть бути умовно розділені на 2 групи: перша характеризує склад та фізико-механічні властивості компонентів комбікорму, а друга група обумовлена технологічними режимами та конструкційними особливостями агрегатів. Визначено, що для аналізу процесу перетворення та використання електричної енергії при виробництві комбікормів найбільш важливими чинниками є питома вага, вологість та масова частка компонента в комбікормі (чинники першої групи), та завантаження дробарки, частота обертання ротора і стан молотків дробарки (собою чинники другої групи).

У зв’язку з різноманіттям компонентів, значними флуктуаціями їх фізико-механічних властивостей та різними функціями технологічних агрегатів експериментальні дослідження машин проводилися в декілька етапів, а інтервали варіювання визначались згідно вимог до виробництва комбікорму та технологічно допустимих режимів роботи машин МКА.

1. Дослідження впливу на питомі витрати електричної енергії фізико-механічних властивостей компонентів комбікормів.

Досліджувались такі найчастіше використовувані компоненти комбікормів: пшениця, ячмінь, овес, кукурудза, горох. При цьому чинниками виступали: Х1 – об’ємна вага компонента, g (кг/м3); Х2 – вологість компонента, y (%); та Х3 - завантаження дробарки q (кг/с), Функцією відгуку були питомі витрати електричної енергії (кДж/кг). Дослідження проводилися на експериментальній установці, виготовленій для вивчення енергетики процесу при багатокомпонентного подрібнення. Установка складалась з експериментальної молоткової дробарки з асинхронним електричним двигуном, бункера для компонента, шиберної заслінки, встановленої в нижній частині бункера і ємності для готової продукції. За допомогою засувки забезпечувався необхідний діапазон варіювання завантаження (0,025 – 0,09 кг/с), яке визначалось на підставі зважування на вагах порції компонента, що подрібнювався та вимірювання часу на подрібнення. Потужність, що споживалася дробаркою визначалась ватметром активної потужності, виходячи зі споживаної потужності, часу подрібнення і маси продукту (подрібнювалося 5 зразків фіксованого об’єму) визначалися питомі витрати електричної енергії. Об’ємна вага компонентів варіювалась у межах 400 – 850 кг/м3 та визначалась методом зважування вимірювальної ємності. Вологість компонентів варіювалась у межах 9 – 19,5% і визначалась за допомогою методу випарювання проб.

При проведенні експериментальних досліджень використовували стандартну методику повнофакторного регресійного аналізу. У результаті проведення експерименту й обробітки експериментальних даних були визначені коефіцієнти рівнянь лінійної регресії, проте перевірка лінійних моделей на адекватність дала негативний результат. Тому було прийняте рішення про опис питомих енерговитрат рівнянням другого порядку. Для одержання моделі квадратичного виду використовувалося ротатабельне центральне композиційне планування (РЦКП), що передбачає підвищену точність прогнозування відгуку за отриманою моделлю. Порядок проведення окремих експериментів за матрицею РЦКП визначався відповідно до генератора випадкових чисел. Експерименти проводились з використанням сучасних контрольно-вимірювальних приладів, які забезпечували довірчу вірогідність отриманих даних 0,95. Отримані дані оброблялися методами математичної статистики з використанням компютерних програм. У результаті були ідентифіковані параметри математичних моделей, які описують енерговитрати на подрібнення окремих компонентів комбікормів:

Пшениця Y = 23.119 – 1.931X1 + 5.009X2 + 0.418X3 + 0.606X2X3 +

+ 0.509X1X2X3 + 0.359X12 + 0.386X22 + 0.400X32 (4)

Ячмінь Y = 30.055 – 2.511X1 + 6.512X2 + 0.544X3 + 0.788X2X3 +

+ 0.688X1X2X3 + 0.467X12 + 0.502X22 + 0.520X32 (5)

Овес Y = 25.046 – 2.092X1 + 5.426X2 + 0.453X3 + 0.656X2X3 +

+ 0.573X1X2X3 + 0.389X12 + 0.418X22 + 0.433X32 (6)

Кукурудза Y = 21.468 – 1.793X1 + 4.651X2 + 0.388X3 + 0.562X2X3 +

+ 0.491X1X2X3 + 0.333X12 + 0.359X22 + 0.371X32 (7)

Горох Y = 20.037 – 1.674X1 + 4.314X2 + 0.362X3 + 0.525X2X3 +

+ 0.458X1X2X3 + 0.311X12 + 0.335X22 + 0.346X32 (8)

Перевірка отриманих моделей (4-8) за допомогою критерію Фішера підтвердила їх адекватність. Аналіз експериментальних залежностей, побудованих для ячменю підтвердив наявність мінімуму питомих енерговитрат як функцію від завантаження та фізико-механічних властивостей компонентів. На рис. 3 наведено залежності питомих електричної енергії для ячменю, а залежності для інших компонентів мають подібний вигляд.

Рис.3. Експериментальні залежності питомих витрат електричної енергії процесу подрібнення
ячменю від завантаження а) – при різній вологості; б) – при різній об’ємній вазі.

2. Залежність питомих витрат електричної енергії процесу багатокомпонентного подрібнення від режимів роботи та стану робочих органів.

Чинниками у даному випадку виступали: Х1- частота обертання ротора дробарки, n (с-1); Х2- завантаження дробарки, q (кг/с); Х3 - коефіцієнт зношеності молотків, x (в.о); функцією відгуку були питомі витртати електричної енергії (кДж/кг). Дослідження проводилися на експериментальній дробарці, однак для забезпечення необхідного інтервалу варіювання по частоті обертання між валом електродвигуна і валом дробарки була встановлена ремінна передача зі змінюваним передатним відношенням, що забезпечувало необхідний інтервал варіювання (45-70с-1). Завантаження дробарки забезпечувалось та визначалось згідно з методикою попереднього етапу досліджень і варіювалося у межах 0,04 – 0,09 кг/с. Коефіцієнт x визначався як відношення питомих витрат електричної енергії при виробництві комбікорму на зношених молотках до значення цього ж показника, отриманого на нових молотках. Питомі витрати електричної енергії визначалися згідно методики попереднього етапу досліджень, при цьому завантаження дробарки і фізико-механічні властивості сировини що подрібнювалась, в процесі визначення коефіцієнта не змінювались. Для забезпечення необхідного інтервалу варіювання по коефіцієнту зношення було підібрано декілька комплектів молотків, які напрацювали на подрібненні необхідної кількості комбікорму.

В процесі досліджень подрібнювались суміші компонентів, склад яких відповідав рецептам комбікормів, які використовуються найчастіше та були визначені при аналізі даних діючих комбікормових виробництв. В результаті експериментальних досліджень були отримані моделі, що дозволяють визначити питомі витрати електричної енергії на процес багатокомпонентного подрібнення рецептів комбікормів в залежності від вказаних вище чинників:

Рецепт 1 Y = 27.495 + 0.758X1 + 0.775X2 + 1.799X3 + 0.413X1X2 +

+ 0.363X1X2X3 + 0.400X12 + 0.382X22 + 0.276X32 (9)

Рецепт 2 Y = 23.786 + 0.516X1 + 0.514X2 + 1.282X3 + 0.334X1X2 +

+ 0.461X1X2X3 + 0.365X12 + 0.383X22 + 0.275X32 (10)

Рецепт 3 Y = 25.135 + 0.383X1 + 0.406X2 + 1.553X3 + 0.336X1X2 +

+ 0.362X1X2X3 + 0.266X12 + 0.284X22 + 0.247X32 (11)

Рецепт 4 Y = 26.721 + 0.407X1 + 0.433X2 + 1.651X3 + 0.356X1X2 +

+ 0.386X1X2X3 + 0.281X12 + 0.302X22 + 0.262X32 (12)

Рецепт 5 Y = 24.142 + 0.368X1 + 0.390X2 + 1.492X3 + 0.323X1X2 +

+ 0.348X1X2X3 + 0.255X12 + 0.273X22 + 0.237X32 (13)

З графічних залежностей (рис. 4), побудованих на підставі моделей (9-13) видно, що питомі витрати електричної енергії мають екстремальний характер з мінімумом, який залежить від частоти обертання. Крім того видно, що положення мінімуму змінюється в залежності від параметрів суміші, і стану робочих органів дробарки.

Рис.4. Експериментальні залежності питомих витрат електричної енергії процесу багатокомпонентного подрібнення а) – для різних рецептів в залежності від частоти обертання ротора дробарки;
б) – в залежності від завантаження при різному ступені зношеності молотків.

3. Дослідження режимів роботи пристроїв, що завантажують дробарку.

Проведення даного етапу було обумовлено визначеною на двох попередніх етапах необхідністю узгодження оптимальних режимів роботи дробарки і продуктивністю дозаторів. Проводилась серія експериментів, метою яких було визначення зв’язку між масовою подачею шнекових дозаторів, (функція відгуку) і наступними чинниками: Х1 – частотою обертання шнеку, n (об/хв); та Х2 – об’ємною вагою компонента, g (кг/м3). Дослідження проводилися на установці, що складається з двох (великого та малого) шнекових дозаторів, завантажувальних бункерів і електропривода з регульованою частотою обертання який забезпечував діапазон варіювання по частоті обертання 25...70 об/хв. Функція відгуку, частота обертання та об’ємна вага визначалась згідно методик та засобів вказаних у двох попередніх етапах, а об’ємна вага варіювалася у межах 400 – 850 кг/м3. При дослідженнях використовувалась стандартна методика планування та проведення повнофакторного експерименту з кількістю чинників 2 та повторністю, що дорівнювала 3. Після визначення коефіцієнтів та перевірки їх за критерієм Стьюдента були отримані наступні моделі:

Дозатор малий Y = 0.493 + 0.233X1 + 0.156X2 + 0.070X1X2 (14)

Дозатор великий Y = 0.615 + 0.209X1 + 0.186X2 + 0.089X1X2 (15)

В результаті експериментальних досліджень встановлено, що підтримання енергозберігаючих режимів роботи дробарки дозволяє зменшити витрати електроенергії в межах 5 - 9% на 1 кг виготовленого комбікорму. Для дробарки базового МКА значення завантаження, що забезпечує виробництво комбікорму з мінімальними витратами електроенергії змінюється у межах 0,45…0,7 кг/с, а зона необхідних частот обертання ротора лежить у межах 50…70 с-1 . При цьому збільшення спрацювання молотків призводить до зміни оптимального значення завантаження у середньому на 0,15-0,25 кг/с в залежності від типу подрібнюваної сировини, а питомі енерговитрати нелінійно зростають на 15-20%. Окрім цього визначено, що для забезпечення завантаження дробарки у заданих межах необхідно регулювати частоту обертання приводних валів дозаторів у межах 20-90 об/хв. для всього спектру компонентів, які використовуються при виробництві комбікормів.

За результатами експериментальних досліджень був виконаний їх аналіз та оцінка за допомогою методів математичної статистики. Встановлено, що питомі витрати електричної енергії процесу подрібнення мають сильний кореляційний зв’язок з вказаними вище чинниками (кореляційне відношення знаходиться у межах 0,854…0,975), при цьому зміною режимів роботи та стану обладнання обумовлено 72-95% змін питомих енерговитрат. Максимальна абсолютна похибка експериментальних досліджень методу складає ± 1,57 кДж/кг. Максимальна розбіжність між теоретичними та експериментальними даними не перевищує 9%.

У четвертому розділі “Розробка технічних засобів енергозберігаючого управління режимами роботи малогабаритних комбікормових агрегатів” на підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень визначено, що для зниження витрат електричної енергії при виробництві комбікормів на МКА необхідна реалізація узгодженого багатопараметричного управління режимами роботи силового електрообладнання дробарки та дозуючих блоків. Визначено, що для реалізації енергозберігаючої системи управління (ЕСУ) МКА необхідно контролювати вологість та об’ємну вагу кожного компоненту, рецепт комбікорму, завантаження камери дробарки, частоту обертання її ротора та потужність, що споживається силовим електродвигуном дробарки, її продуктивність та продуктивність дозуючих вузлів. Для забезпечення керованості МКА за критерієм питомих енерговитрат необхідно реалізувати незалежну зміну частот обертання кожного зі шнеків дозуючих блоків. При цьому як свідчить аналіз існуючих принципів побудови систем управління МКА, інші контури ефекторної та рецепторної частини ЕСУ, необхідні для забезпечення керованості та спостережуваності, можуть бути реалізовані на стандартному обладнанні.

Обґрунтовано, що ЕСУ, яка забезпечує визначені принципи енергозбереження в МКА, може бути реалізована на базі сучасних інтегрованих комп’ютерних технологій, які дозволяють оперувати великими обсягами інформації про технологічний процес, а також нових технічних засобів які дають можливість реалізувати більш досконалі методи і критерії управління в робочих машинах малогабаритних комбікормових агрегатів. Це, крім енергозбереження, підвищить рівень, гнучкість і оперативність технологічного процесу, а також позитивно позначиться на якості виробленої продукції і збільшить загальний економічний ефект. Структурна схема запропонованої енергозберігаючої системи управління приведена на рис. 5.

Рис.5. Структурна схема ЕСУ МКА.

Забезпечити наведені вище вимоги майже повністю можливо за допомогою сучасних вимірювальні перетворювачі різноманітних типів. З стандартних вимірювальних перетворювачів у даній системі використовуються: перетворювачі частот обертання дозуючих шнеків (ВПЧД), перетворювач продуктивності дробарки (ВПП), вимірювальний перетворювач вологості компонентів, та вимірювальні перетворювачі рівня компонентів у бункерах (ВПР). Сигнали з цих перетворювачів поступають на блок перетворення та погодження аналогових сигналів реалізуючій функції поєднання з ЕОМ (пристрій контролю та управління) по каналу введення інформації.

Функція контролю за об’ємною вагою компонента може бути реалізована ваговими дозаторами, але такі пристрої мають значну вартість і не завжди можуть бути інтегровані у МКА. У зв’язку з цим виникла необхідність в розробці спеціального вимірювального перетворювача (ВППВ). Розроблений вимірювальний перетворювач дозволяє, окрім визначення об’ємної ваги компонента, також реалізувати алгоритм підготування до виміру наступного компонента за сигналом з блоку аналогових сигналів управління. Перетворення об’ємної ваги побудовано на потенціометричному принципі. Чутливість прибору по питомій вазі складає
0,01±0,007 кг/м3. Вимірювальний перетворювач призначений для установки у завальних ямах в умовах підвищенної запиленості та вологості. Також було розроблено пристрій (ВППД), для визначення активної потужності, що споживається електричним двигуном дробарки (ЕПД). Електронний блок має просту конструкцію і може бути легко інтегрований до лічильників активної енергії існуючих типів.

Для реалізації енергозберігаючих режимів роботи розроблений блок перетворення сигналів управління (БПСУ) для спряження з ЕОМ, що дозволяє реалізувати енергозберігаючі режими і гнучке управління агрегатами КПТЛ. До даного блоку також входять блоки комутації аналогових та дискретних сигналів управління, які реалізують перетворення (ЦАП) та розподільну комутацію кіл управління і власне управління навантаженнями малої потужності. Вхідний контур ЕСУ складається з блоку погодження вимірювальних перетворювачів дискретних сигналів та блок погодження та перетворення аналогових сигналів. Даний контур реалізує перетворення аналогової інформації в цифрову, і послідовне опитування інформаційних каналів. Відмінною рисою даного пристрою є наявність можливості пріоритетного обміну даними по каналах вводу-виводу, що дозволяє заощаджувати машинний час і знизити апаратні вимоги до керуючого пристрою ЕОМ.

Розроблено алгоритм управління, який дозволяє забезпечити реалізацію енергозберігаючих режимів роботи силового електрообладнання МКА, і базується на критерії питомих витрат електричної енергії. Функціонально алгоритм складається з двох основних блоків, що реалізують статичну оптимізацію за моделлю та динамічну оптимізацію в процесі роботи системи. Статична оптимізація здійснюється при синтезі рецепта комбікорму, а здійснення мінімізації енерговитрат у процесі його виробництва реалізується по завантаженню камери дробарки. Пошук енергозберігаючих режимів роботи здійснюється градієнтним методом на основі інформації про потужність, споживану дробаркою, частоту обертання дозуючих шнеків та продуктивності дробарки. Параметри пошуку залежать від апаратних характеристик контуру управління і можуть змінюватись програмно.

Відповідно до алгоритму в середовищі Delphi написане Windows - орієнтоване програмне забезпечення, що містить також базу даних із характеристиками усіх компонентів, які використовуються у комбікормовому виробництві і управляючі підпрограми: допускового контролю, компенсації похибок, контролю працездатності, блок управління периферійним устаткуванням, та блок настройок апаратної частини системи.

У п’ятому розділі “Виробничі випробування ЕСУ МКА” наведені результати виробничих випробувань ЕСУ МКА, основною метою яких була перевірка достовірності теоретичних та експериментальних досліджень, а також техніко-економічна оцінка впровадження ЕСУ.

Розроблена методика оцінки економічної ефективності впровадження методів та технічних засобів енергозбереження при виробництві комбікормів у поточних технологічних лініях. При цьому проаналізовано варіанти побудови ЕСУ, як при застосуванні окремих параметрів управління, так і при роботі по всім параметрам одразу. Встановлено, що максимальний строк окупності становить 2 роки, однак даний показник може бути зменшений до 0,5 року, оскільки знаходиться в зворотній залежності від кількості виробленого комбікорму.

При випробуваннях встановлено, що при оптимізації режимів роботи малогабаритного комбікормового агрегата по завантаженню дробарки, зниження питомих витрат електричної енергії складає близько 9%. При цьому похибка об’ємного дозування з урахуванням питомої ваги компонента не перевищує 5,5%. Економічний ефект на протязі року експлуатації ЕСУ у ф/х “Валентина” Нововорноцовського району Херсонської області, а також модернізованого цеха з виробництва комбікормів комбінату хлібопродуктів СМТ Новоалексіївка Херсонської області склав близько 2028 грв., розрахунковий строк окупності додаткових капітальних вкладень 1,7 року.

У вигляді номограми розроблені рекомендації, щодо впровадження енергозберігаючих режимів в МКА УМК-Ф-2 (рис. 6.). Дана номограма дозволяє визначити енергозберігаючі режими роботи дробарки в залежності від складу рецепту та властивостей сировини без вживання технічних засобів і попередніх розрахунків. Для визначення режимів визначають сумарний коефіцієнт розмолоздатності рецепту (т.1), далі виходячи з вологості та коефіцієнта зношення визначають питомі витрати електричної енергії (т. 3,4,5), після чого за допомогою кривих наведених у квадранті 4 визначають енергозберігаючі режими роботи. Оскільки при визначенні режимів роботи за допомогою номограми неможливо повністю врахувати всі збурюючі впливи то, і зниження витрат електричної енергії є дещо меншим.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз літературних і виробничих даних свідчить, що витрати енергоресурсів при виробництві комбікормів сягають третини, а їх розподіл по головним технологічним операціям складає: транспортування біля 20%, дозування приблизно 15%, подрібнення біля 65% сумарних енерговитрат. При цьому встановлено, що на даному етапі економічного розвитку для виробництва комбікормів найбільш доцільним є використання малогабаритних комбікормових агрегатів (МКА), які мають можливості зниження витрат електричної енергії на технологічний процес за рахунок адаптації режимів роботи електросилового обладнання до фізико-механічних властивостей компонентів і стану робочих машин.

2. Отримано математичну модель, яка описує вплив режимів роботи силового електрообладнання малогабаритних комбікормових агрегатів та фізико-механічних властивостей компонентів комбікормів на ефективність використання електричної енергії при їх виробництві.

3. Теоретичними дослідженнями встановлено, що функціональна залежність питомих витрат електричної енергії в приводному силовому електрообладнанні МКА від технологічних режимів має нелінійний екстремальний характер, тому доцільним є синтез енергозберігаючої системи керування МКА, побудованої на принципі динамічного пошуку, що дозволить досягти зниження витрат електроенергії до 10%.

4. Експериментальними дослідженнями встановлено, що розбіжність між теоретичними і експериментальними даними не перевищує 7% при сильному кореляційному зв’язку (k = 0,85...0,975) режимів роботи силового електрообладнання і фізико-механічних властивостей компонентів комбікормів з питомими витратами електричної енергії. Визначено, що питомі витрати електричної енергії в приводному силовому електрообладнанні МКА при виробництві комбікорму можуть змінюватися в межах 20 - 35 кДж/кг, при цьому, для забезпечення мінімальних питомих витрат електричної енергії, завантаження дробарки повинне знаходитися в межах 0,45...0,9 кг/с, а частота обертання її ротора -50...70с-1.

5. При обробці та аналізі теоретичних і експериментальних даних встановлено, що для реалізації енергозберігаючих режимів роботи силового електрообладнання МКА необхідним є контроль вологості та об’ємної маси компонентів, масової подачі дозуючих пристроїв, завантаження дробарки і частоти обертання її ротора, а також необхідне регулювання завантаження дробарки, забезпечення автономної подачі дозаторів при реалізації інших функцій на стандартному обладнанні.

6. На підставі запропонованого методу, який дозволяє підвищити ефективність використання електричної енергії при виробництві комбікормів, визначена структура енергозберігаючої системи управління, розроблені алгоритм, технічні і програмні засоби, а також запропоновано рекомендації, щодо впровадження енергозберігаючих заходів при виробництві комбікормів в умовах господарств.

7. В результаті проведених виробничих випробувань енергозберігаючої системи управління малогабаритними комбікормовими агрегатами встановлено, що питомі витрати електричної енергії в силовому електрообладнанні зменшуються на 5-9% і можуть бути знижені до 5,2 кВт-ч/т. При виробництві за рік 16384 тон комбікорму річний економічний ефект склав 2028 гр., а розрахунковий строк окупності – 1,7 року при дотриманні вимог до якості готового комбікорму.

СПИСОК ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чаусов С.В. Компьютерные системы рационального управления