АГРОИНЖЕНЕРИЯ

Распределенная генерация повышает надежность работы потребителя на отдаленных от источников централизованного электроснабжения территориях. Система электроснабже-ния с распределенной генерацией использует возобновляемые источники электроэнергии, дизель-генераторы и бензогенераторы, в том числе передвижные электростанции, оснащенные в большинстве случаев современными средствами защиты. В процессе исследований проведен анализ существующих способов и средств защиты электрогенера-торов от ненормальных и аварийных режимов работы, в том числе от несимметрии напряжений, которая является одной из причин сокращения срока службы генераторов и характерна для сельских электрических сетей. В ходе анализа определены основные типы защиты генераторов от аварийных режимов работы: защита обмоток статора, защита от пониженной и повышенной частоты, защита от пониженного и повышенного напряжения, защита от несимметрии напряжений (токов). Отмечено, что основной причиной несимметрии напряжений, приводящей к механической вибрации и быстрому перегреву ротора, являются однофазные нагрузки в системе, которые неравномерно распределены по трем фазам. Проблема несимметрии напряжений решается в основном за счет перераспределения нагрузок в линиях электропередачи и/или установки компенсирующих устройств. Однако в сельских системах электроснабжения несбалансированное распределе-ние нагрузки корректируется крайне редко. Компенсация несимметрии напряжений возможна посредством применения гибридных фильтров активной мощности последова-тельной компенсации и совершенствования методов управления этими фильтрами. Преобразователи напряжения, эффективные при выравнивании несимметрии напряжений в фотоэлектрических системах, могут эффективно защищать дизельные электрогенераторы малой мощности при условии достижения экономической рентабельности оснащения дополнительным оборудованием.

Эксергетический анализ проектируемой системы необходим для определения степени ее термодинамического совершенства. С целью оценки эффективности технологического процесса на примере повышения КПД установки на экспериментальном стенде теплового насоса, предназначенном для исследования процесса отбора тепла с тыльной поверхности солнечной панели, и преобразовании ее в полезную произведен анализ двух методов: подбор холодильного агента и анализ внешних источников. Анализ методов позволил сравнить эксергетический КПД модернизированной установки, включающей в себя тепловой насос и солнечную панель в качестве дополнительного низкопотенциального источника теплоты с лабораторной установкой теплового насоса до модернизации. Произведены эксергетический расчет, подбор жидкости, анализ внешних источников. Выявлено, что наиболее эффективным методом оценки эксергетического КПД новых технических решений является метод анализа источников внешних источников. Расчетами установлено, что энергоэффективная схема работы теплового насоса совместно с солнечной панелью приводит к наивысшему коэффициенту полезного действия, равному 23,4%. Однако данное значение достигается при большом количестве солнечного света, температуре воздуха порядка 25 ℃ и перпендикулярном падении солнечных лучей на панель. Эксергия электроэнергии, потребляемой электродвигателем, по сравнению с тепловым насосом до модернизации снижена на 8,92 кДж/кг, а эксергетический КПД модернизированной установки вырос на 7,5%, что доказывает эффективность перенаправления электрической энергии на питание компрессора. Установка солнечной панели и теплового насоса приведет к улучшению экологической ситуации и экономии денежных средств в связи с отсутствием затрат на топливо.

Компенсация реактивной мощности на базе конденсаторной установки, подключенной к сельской распределительной сети 0,4 кВ, при использовании неспециализированных контакторов сопровождается возникновением больших пусковых токов конденсаторов. К тому же установка проводниковой связи с трансформаторами тока нагрузки требует конструкционной доработки конденсаторной установки. С целью устранения указанных недостатков предлагается использовать батарею конденсаторов, управляемую реле времени и защищаемую от пусковых токов тремя RL-контурами. «Включение-отключение» батареи конденсаторов при этом должно производиться внутренним сигналом конденсаторной установки, задающим временной интервал «Включено-выключено». С помощью математической модели, а также трехфазной физической модели мощностью 1,2 квар изучалось поведение переходных и установившихся токов при различных значениях параметров RL-контуров. Исходными неизменными параметрами модели являлись реактивные сопротивления конденсаторов и катушек индуктивности. Номинальная величина тока фазы батареи конденсаторов составляла 2,14 А. Переменными параметрами были величины активных сопротивлений RL-контуров, принимавших значения 0, 10, 20, 30 и ∞. Изучалась осциллограмма стационарного и переходного тока. В результате установлено, с целью соответствия батареи конденсаторов критерию использования автоматических выключателей и контакторов сети 0,4 кВ, что величина сопротивления резистора RL-контура каждой фазы трехфазной батареи конденсаторов должна десятикратно превышать реактивное сопротивление токоограничивающей катушки RL-контура и быть в 5 раз меньше величины реактивного сопротивления силового конденсатора фазы батареи конденсаторов. В сельских электрических сетях 0,4 кВ для компенсации реактивной мощности можно установить одиночную конденсаторную установку мощностью 25 квар с простым автономным управлением. Несколько конденсаторных установок могут компенсировать реактивные нагрузки 50 и 75 квар.

Биореактор статической мини-модели искусственного желудочно-кишечного тракта рыбы обеспечит моделирование процессов в ЖКТ промышленно выращиваемых рыб (карповых, форелевых, осетровых). Исследования проведены с целью изучения термодинамических процессов, происходящих в биореакторе, и возможности применения термоэлектри-ческого преобразователя TEC1-12706 в системе контроля температуры биореактора. Температура в биореакторе объемом до 200 мл должна варьироваться от 45 до 14℃, точность поддержания температуры – 0,1℃. Как результат, была получена математическая модель с корректировкой по идентифицированным параметрам системы, что позволяет оценить термодинамические процессы в биореакторе, подобрать аппаратное оснащение и создать его общую математическую модель. Идентификация параметров элемента Пельтье осуществлялась с помощью макета-прототипа, измеряющего температуру холодной стороны преобразователя, горячего радиатора, окружающей среды, температуру жидкости в реакторе и потребляемый ток. Функционирование реальной системы происходило при внешней температуре 28,31°C, все физические накопители находились в температурном равновесии и в одинаковых начальных условиях. Сравнение температурных изменений в реальной системе и полученной нами математической модели в результате идентифика-ции параметров элемента Пельтье показало, что соответствие значений было не идеальным, но характер изменения температур был идентичным. Сделаны следующие выводы: в математической модели необходимо учитывать дополнительные накопители и потоки, описывающие неидеальные условия экспериментальных данных: например, тепловое отражение рабочей поверхности стола и частичное отражение воздушных потоков. Для снижения температуры заполненного биореактора на 2…3℃ достаточно 1/3 от максимальной мощности преобразователя. Таким образом, термоэлектрический преобразователь TEC1-12706 может применяться в системе in vitro моделирования желудочно-кишечного тракта рыб.

Подготовка рабочих растворов удобрений и пестицидов для производственных технологических процессов подразумевает смешивание жидкостей с соблюдением точной дозировки компонентов. Существующие конструкции дозирующих и смешивающих устройств не обеспечивают качественное дозирование, к тому же при резком увеличении количества фракции наблюдается гидроудар. С целью устранения этих недостатков на основании аналитических исследований имеющихся разработок и материалов патентного поиска создано смешивающее устройство для приготовления растворов различной концентрации с возможностью регулирования соотношения их компонентов в процессе работы устройства. Устройство обеспечивает плавное изменение концентрации препаратов за счет конструкции дозирующих заслонок, формирующих окна квадратной формы с меняющейся конфигурацией, за счет перемещения относительно друг друга образующих их пластин как по горизонтальной, так и по вертикальной осям. Предложенное устройство плавно изменяет концентрацию раствора, тем самым более точно осуществляя дозирование. Экспериментально установили, что более плавное изменение расхода рабочей жидкости соответственно концентрации раствора наблюдается при расстоянии от осей симметрии дисков дозирующего устройства до оси вращения распределительных окон, равном 0,04…0,1 м. Отклонение фактического расхода рабочей жидкости от расчетного не превышает 5%. Интеграция разработанного смесителя в системы растворных узлов, опрыскивателей и других специализированных машин будет способствовать повышению качества выполнения мелкодисперсного орошения растений, семян и почвы.

Крупные животноводческие комплексы работают в основном на импортном технологическом оборудовании в автоматизированных роторных доильных залах, которые обеспечивают максимальную пропускную способность – от 100 до 500 гол/ч. Наиболее капиталоемкой составной частью роторной доильной установки «Карусель» является вращающаяся платформа, несущая на себе основную нагрузку (собственный вес и массу перемещаемых животных). Практически круглосуточный режим работы предопределяет значительный расход электроэнергии и износ приводных, опорных, направляющих колес и рельсов, замена которых является трудоемким процессом. Остро стоит вопрос об импортозамещении оборудования. С целью повышения эксплуатационной надежности работы доильной установки «Карусель», снижения капитальных затрат при монтаже, текущих затрат на техническое обслуживание и ремонт авторами предложено разработать ресурсосберегающую конструкцию вращающейся доильной платформы. Предложены технологическая схема левитирующей доильной платформы «Карусель» с использованием движителей, построенных на принципах магнитной левитации (безопорного вывешивания) на постоянных магнитах (магнитная сборка Хальбаха), и структурно-логическая модель магнитного подвеса доильной платформы. К преимуществам такой системы относится практическое отсутствие силы трения на перемещение грузовой платформы с животными, что потребует значительно меньшей мощности привода. При этом обеспечиваются бесшумность передвижения, существенно меньшие эксплуатационные затраты, связанные с необходимостью замены опорных катков, смазывания подшипников, обслуживания 2-3-тяговых электроприводов и др. Инновационная привлекательность разработки заключается в возможности создания кольцевого и линейного магнито-планирующего электрического транспорта в технологических установках для передвижения и обслуживания животных в доильных залах, перемещения роботизированных кормовагонов в кормоцехах, складских помещениях и на ферме.

Малогабаритный опрыскиватель при вертикальных колебаниях распределительной штанги без сложных копирующих и компенсационных устройств не обеспечивает качественное опрыскивание. Для первичного семеноводства требуется разработка новых подходов к обеспечению равномерности распределения средств защиты растений (СЗР). С этой целью предложена и теоретически обоснована концепция применения адаптивной распределительной системы малогабаритного штангового опрыскивателя. Представлены полевые эксперименты с использованием одноопорного штангового опрыскивателя тачечного типа. Приведено теоретическое описание условий выполнения операции опрыскивания применительно к нарушению схемы распределения рабочей жидкости. Произведена оптимизация значений текущих фронтальных углов факела распыла. Установлено, что средний размах вертикальных колебаний штанги одноопорного опрыскивателя тачечного типа составляет от 16 до 29°. Выдвинута гипотеза о повышении равномерности распределения СЗР путем управления геометрией факела распыла и предложена конструкция мультирежимного дефлекторного распылителя. Найдены аналитические зависимости влияния геометрических параметров опрыскивателя и угла его поперечного наклона на формируемую распылителем ширину обрабатываемой полосы и требуемый угол факела распыла. Разработаны номограмма и операционный график режимов работы распылителей адаптивной распределительной системы опрыскивателя. При базовом угле распыла 110° допустимые пределы ширины полосы обработки одним распылителем при нижнем наклоне штанги обеспечиваются углом распыла 85°, при верхнем – углом 135…145°. Использование оригинального уравновешивающего устройства позволяет снизить размах вертикальных колебаний штанги до 14°. Разность значений коэффициента вариации поперечного распределения рабочей жидкости при типовом и адаптивном ориентировании плоскостей факела распыла в модельном эксперименте составила 9,5%. Выдвинутая гипотеза подтверждена.

Разработка или модернизация почвообрабатывающей техники обусловлены стремлением увеличить срок ее службы, повысить ее эффективность и уменьшить негативное воздействие на почву. С целью повышения эффективности сельскохозяйственных конструкций проведена оптимизация рабочего органа глубокорыхлителя с применением топологического и параметрического моделирования. В качестве базовой модели выступала пластина глубокорыхлителя массой 1,925 кг с максимальными напряжениями 176,8 МПа. У пластины определили зоны, оказывающие наименьшее влияние на жесткость и прочность конструкции. При проектировании модернизированной пластины учитывались следующие параметры: коэффициент запаса по пределу прочности – 1,5…2; максимальное снижение массы – не более 50%, минимальное снижение – не менее 10%; пластина изготавливается методом лазерной резки из стали марки 09Г2С или 30ХГСА. Считали, что технологический процесс изготовления, прочностные и износостойкие характеристики и стоимость были не ниже базового варианта. Алгоритм, разработанный на языке системного моделирования SysML, позволил систематизировать процесс, установить функциональные и нефункциональные требования и ограничения. С использованием системы автоматического проектирования Autodesk Fusion 360 по данному алгоритму разработана рациональная геометрическая форма почвообрабатывающей пластины глубокорыхлителя массой 1,585 кг и максимальными напряжениями 169,5 МПа. Топологическая оптимизация уже на второй итерации привела к снижению массы детали на 17,67% при сохранении прочностных и износостойких характеристик. Путем определения толщины элемента установлено соответствие требованию по коэффициенту запаса прочности. Из стали 09Г2С изготовлены образцы пластин глубокорыхлителя толщиной 16 мм. Для подтверждения рассчитанных прочностных характеристик необходимо провести лабораторные и полевые испытания прототипа облегченной конструкции.

Минимизировать травмирование свободного зерна рабочими органами молотилки при очесе растений на корню позволяет его предварительная сепарация. Для этого используется наклонная камера комбайна. С целью оценки сепарирующей способности роторного сепаратора очесанного зернового вороха в зависимости от его конструктивных параметров и режима работы устройства проведен эксперимент на озимой пшенице сорта Московская 56 влажностью 12%. Разработанная экспериментальная установка включала в себя 6 поперечных сетчатых роторов диаметром 170 мм. В первой серии опытов интенсивность сепарации определяли при расстоянии между прутковыми кольцами ротора 6, 8, 10, 12 и 14 мм. На втором этапе интенсивность сепарации устанавливали с учетом изменения окружной скорости поверхности роторов с 1 до 3 м/с, с шагом 0,5. Во всех вариантах опыта угол наклона корпуса экспериментальной установки составлял 45°, подача очесанного зернового вороха принимала значения 1 кг/с. В результате проведенных лабораторных исследований установлено, что интенсивность сепарации свободного зерна повышается с увеличением расстояния между прутковыми кольцами устройства и снижением окружной скорости роторов. В первом случае зависимость линейная, а во втором – полином второй степени. Максимальный проход свободного зерна (100%-ная сепарация) соответствует окружной скорости роторов 1 м/с и расстоянию между прутковыми кольцами 14 мм. Резервами роста производительности роторного сепаратора являются увеличение диаметра роторов до 300 мм и снижение их окружной скорости до 2…2,5 м/с. Изменение указанных параметров на 30…35% сохраняет на приемлемом уровне транспортирующую способность наклонной камеры комбайна.