Способ автоматической настройки резонансных режимов колебаний вибрационной машины с приводом от асинхронного двигателя

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Технический результат заключается в возбуждении и поддержании резонансных колебаний рабочего органа вибрационной машины, возбуждаемых дебалансным инерционным вибровозбудителем с приводом от асинхронного электродвигателя, при изменении параметров механической системы вибрационной машины за счет управления частотой питающего напряжения. Способ возбуждения и поддержания резонансных механических колебаний заключается в том, что на рабочий орган вибрационной машины воздействуют периодической возмущающей силой, которая возникает при вращении дебаланса инерционного вибровозбудителя с приводом от асинхронного электродвигателя, частоту вращения дебаланса изменяют за счет изменения частоты питающего напряжения в зависимости от величины сдвига фаз между колебаниями рабочего органа и периодической возмущающей силой, при этом определение величины сдвига фаз проводят по сигналам с датчика углового положения дебалансов и датчика колебаний рабочего органа. 1 ил.

 

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известны способы резонансной настройкой вибромашин, основанные на поддержании угла сдвига между фазой перемещения рабочего органа вибрационной машины (далее - вибромашина) и фазой вынуждающей силы близким к π/2 за счет введения системы автоматического управления (САУ) с обратной связью [1]. Структура такой системы состоит из двух основных частей: узла учета отклонения регулируемого параметра и узла учета фазы. В состав узла учета отклонения регулируемого параметра входят задатчики минимальной и максимальной амплитуд. Недостатком этих способов является то, что в них предлагается импульсная САУ, которая поддерживает работу вибромашины только вне зоны нечувствительности, а также требуется задание значения минимальной и максимальной амплитуд, которые в действительности заранее неизвестны. Также в этих способах не указано, в какой момент времени начинается поиск резонансного режима, что может привести к застреванию асинхронного двигателя в пусковой зоне. Недостатком также является использование реле в структуре САУ, которые обладают сравнительно невысоким быстродействием и ограниченным ресурсом.

Известен способ возбуждения резонансных колебаний механических систем синхронным электродвигателем, авторское свидетельство СССР 1609515, В06В 1/16, заключающийся в подаче на электродвигатель электрического напряжения, в измерении колебаний механической системы, осуществлении сдвига фазы измеренного сигнала, его усилении и подаче на электродвигатель, при этом одновременно подают напряжение на фазную обмотку и обмотку возбуждения электродвигателя, изменяют амплитуду напряжения, подаваемого на обмотки, поворачивают статор до обеспечения условия возбуждения резонансных колебаний.

Данный способ имеет ограниченные возможности для практического использования в силу высокой сложности, а также по причине использования синхронного электродвигателя, который значительно уступает асинхронному электродвигателю по объемам применения.

Известен способ поддержания резонансных колебаний механической системы синхронным электродвигателем, авторское свидетельство СССР 1726055, В06В 1/16, заключающийся в подаче напряжения одновременно на фазную обмотку и обмотку возбуждения электродвигателя, измерении колебаний механической системы, осуществлении сдвига фаз измеренного сигнала, усилении его и подаче на электродвигатель, при этом изменяют амплитуду напряжения, подаваемого на электродвигатель, и поворачивают статор до обеспечения условий возбуждения резонансных колебаний, при измерении колебаний определяют ускорение колебаний механической системы, осуществляют сдвиг фазы измеренного сигнала на π/2, изменяют амплитуду напряжения, подаваемого на фазную обмотку, и поворачивают статор до совпадения движущего момента с моментом нагрузки, а на обмотку возбуждения подают постоянное напряжение.

Данный способ имеет те же недостатки, которые были указаны для предыдущего аналога.

Известен способ получения и поддержания резонансных механических колебаний, патент РФ 2335352, В06В 1/14, заключающийся в том, что на рабочий орган вибрационной установки воздействуют возмущающей периодической силой, угловые частоты возмущающей периодической силы и собственных колебаний рабочего органа в колебательной системе настраивают в режим резонансных колебаний, причем возмущающую периодическую силу передают рабочему органу через основную упругую связь, в качестве возмущающей периодической силы применяют возмущающую периодическую силу инерции, рабочий орган подвешивают в пространстве на виброизолирующей упругой связи с основанием, резонансные колебания рабочего органа возбуждают на основной упругой связи относительно источника возмущающей периодической силы инерции, при этом угловую частоту резонансных колебаний рабочего органа определяют по формуле:

где ω - угловая частота резонансных колебаний рабочего органа, рад/с;

С - жесткость основной упругой связи, Н/м;

m - масса рабочего органа, кг,

изменяют угловую частоту возмущающей периодической силы инерции в области частот восходящей части резонансной кривой и настраивают амплитуду колебаний рабочего органа, заданную по технологии, для осуществления которой используется вибрационная установка, измеряют колебания рабочего органа, сигнал измерения колебаний обрабатывают, сравнивают с опорным сигналом, задающим амплитуду колебаний рабочего органа, полученный сигнал ошибки используют в качестве сигнала, управляющего угловой частотой возмущающей периодической силы инерции.

Недостатками данного способа являются: сложность применения при значительных изменениях массы рабочего органа вследствие изменения массы технологической нагрузки, так как требуется заранее знать массу рабочего органа для определения резонансной частоты системы и формирования опорного сигнала, притом что масса может изменяться произвольным образом, а также невозможность оценки резонансной частоты в системах с нелинейными характеристиками восстанавливающей силы, которые проявляются при значительных перемещениях рабочего органа.

Известно, что резонансный режим соответствует максимуму амплитуды амплитудно-частотной характеристики механической системы и сдвигу фаз между ее перемещениями и возбуждающей силой, равному π/2 [1-3]. Обычно резонансная настройка оценивается по максимальному значению амплитуды колебаний. Однако данный способ не обеспечивает устойчивость резонансного режима, особенно в случаях изменения параметров системы, например при изменении технологической нагрузки в вибрационных транспортно-технологических машинах, наличия нелинейностей механических характеристик системы, например, при значительных перемещениях упругих элементов, ограниченной мощности вибровозбудителя [1-3]. Использование фазовых соотношений между перемещением рабочего органа вибромашины и возмущающей силой позволяет достичь устойчивой настройки вибромашины на резонансный режим. Однако в зависимости от нагрузки в асинхронных двигателях частота вращения дебалансов отличается от частоты вращения магнитного поля и, соответственно, от частоты питающего напряжения. Для автоматической резонансной настройки требуется учет динамических свойств механической системы вибромашины с приводом от асинхронного электродвигателя на основе связи между частотой питающего напряжения, частотой вращения ротора, определяемой динамической характеристикой вибромашины, и сдвигом фазы между колебаниями рабочего органа и возмущающей силой.

Целью предлагаемого изобретения является автоматическая настройка на резонансный режим колебаний рабочего органа вибромашины, возбуждаемых дебалансным инерционным вибровозбудителем с приводом от асинхронного двигателя, при изменении параметров механической системы вибромашины в широких пределах за счет управления частотой питающего напряжения.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе возбуждения и поддержания резонансных колебаний на рабочий орган вибромашины воздействуют периодической возмущающей силой, которая возникает при вращении дебаланса инерционного вибровозбудителя с асинхронным двигателем, частоту вращения дебаланса регулируют за счет изменения частоты питающего напряжения с учетом различия между этими частотами в зависимости от величины сдвига фаз между колебаниями рабочего органа вибрационной машины и периодической возмущающей силой, которая определяется угловым положением дебаланса, при этом измерение величины сдвига фаз проводят по сигналам с датчика углового положения дебаланса и датчика колебаний рабочего органа. Необходимое изменение частоты питающего напряжения определяют в зависимости от параметров механической системы вибромашины и электродвигателя, частоты питающего напряжения, токов в обмотках электродвигателя, частоты вращения ротора и сдвига фазы между колебаниями рабочего органа и возмущающей силой. В дополнение к измерению колебаний рабочего органа вибромашины, измеряют угловое положение дебаланса, что позволяет определить сдвиг фаз между колебаниями рабочего органа вибромашины и возмущающей силой, определяют отличие сдвига фазы от сдвига фазы, соответствующего резонансному режиму, в зависимости от которого изменяют частоту вращения дебаланса. Причем при определении сдвига фаз между колебаниями рабочего органа и угловым положением дебаланса определяют рассогласование полученного сдвига фаз от π/2 при измерении перемещения, или от π при измерении скорости, или от 3π/2 при измерении ускорения, при этом изменяют частоту вращения дебаланса в зависимости от величины рассогласования сдвига фаз, сводя ее к нулю, а изменение частоты вращения определяют по наперед заданному алгоритму, который связывает сдвиг фазы, частоты питающего напряжения и частоту вращения дебаланса в зависимости от механических и электрических параметров вибромашины и электродвигателя. Это позволяет достичь устойчивой резонансной настройки и может применяться для вибромашин с нелинейными механическими характеристиками их элементов и вибромашин с вибровозбудителем с ограниченной мощностью.

Способ возбуждения и поддержания резонансных колебаний механических систем осуществляют следующим образом.

Колебания рабочего органа вибромашины возбуждают периодической силой, которая возникает при вращении дебаланса инерционного вибровозбудителя. Измеряют колебания рабочего органа вибромашины датчиком колебаний, например виброметром, велосиметром или акселерометром. Измеряют угловое положение дебаланса с помощью датчика углового положения дебаланса, например многооборотного абсолютного энкодера. Сигналы с датчиков поступают в блок управления, в котором определяют момент времени t_* выхода вибромашины на установившийся режим, когда относительная разность измеряемых двух последовательных размахов колебаний не превышает наперед заданной величины, которая определяется заданной точностью регулирования и не должна превышать 5%. Для упрощения САУ выход на установившийся режим может быть задан временем установления в 5-20 с.

В момент времени t больше t_*, при котором платформа оказывается в положении статического равновесия, а скорость колебаний рабочего органа оказывается больше нуля, определяют сдвиг фазы е по угловому положению дебаланса. Определяют рассогласование между измеренным сдвигом фазы и сдвигом фазы, соответствующим резонансному режиму колебаний, равным π/2 при измерении виброперемещения, π - при измерении виброскорости, 3π/2 - при измерении виброускорения колебаний механической системы. В зависимости от величины рассогласования сдвига фаз изменяют частоту вращения дебаланса, сводя величину рассогласования к нулю. При этом изменение частоты вращения определяют в блоке управления по наперед заданному алгоритму, который связывает сдвиг фазы, частоту питающего напряжения и частоту вращения дебалансов в зависимости от механических и электрических параметров вибромашины и электродвигателя.

На фиг.1 представлена схема вибромашины, в которой может быть реализован предлагаемый способ.

Указанный способ автоматической настройки резонансных режимов колебаний вибрационной машины с приводом от асинхронного двигателя может быть реализован следующим образом (фиг. 1). Механическая система вибромашины состоит из рабочего органа вибромашины 3, связанного с основанием 4 посредством упругих элементов 5 и диссипативных элементов 6. Для возбуждения колебаний используется инерционный вибровозбудитель, выполненный в виде электродвигателя 1 с дебалансом 2, закрепленным на его оси. Электродвигатель 1 жестко закреплен на рабочем органе вибромашины 3. Устройство также содержит систему управления с обратной связью, включающую: устройство для управления (УУ), например частотный преобразователь, частотой вращения электродвигателя 7, датчик колебаний - виброметр 8, установленный на рабочем органе вибромашины 3; датчик углового положения дебаланса 9, установленный на оси электродвигателя 1; блок управления (БУ) 10, входы которого соединены с датчиком колебаний 8 и датчиком углового положения ротора электродвигателя 9, а выход соединен с устройством для управления частотой вращения электродвигателя 7, при этом блок управления выполнен с возможностью обработки сигналов с датчиков колебаний 8 и углового положения дебаланса 9 и формирования сигнала управления частотой вращения электродвигателя.

Электродвигатель подсоединяют к внешнему источнику электрического тока через устройство управления 7. Ротор электродвигателя начинает вращаться, возбуждая колебания рабочего органа вибромашины.

При вращении ротора электродвигателя 1 и колебаниях рабочего органа вибромашины 3 сигналы с датчиков колебаний 8 и углового положения дебаланса 9 поступают на блок управления 10, в котором проводится периодическое измерение и обработка этих сигналов, в результате которой определяются частота колебаний и перемещения рабочего органа вибромашины, частота вращения ротора, сдвиг фазы между колебаниями рабочего органа вибромашины и направлением периодической возмущающей силой, которое определяется угловым положением дебаланса. Проводится проверка условия выхода системы на установившийся режим колебаний, который определяется величиной изменения измеренных размахов колебаний на текущем и предыдущем шагах измерения или заданием времени установления колебаний.

При достижении установившегося режима колебаний устанавливается рассогласование величины измеренного сдвига фазы с величиной сдвига фазы, соответствующей резонансному режиму колебаний, который должен быть равен π/2. Полученное рассогласование сдвига фаз обрабатывается, и формируется управляющий сигнал на устройство управления частотой вращения электродвигателя, что приводит к изменению частоты вращения электродвигателя и, соответственно, частоты колебаний рабочего органа вибромашины. Благодаря обратной связи обеспечивается автоматическая настройка и поддержание резонансных колебаний рабочего органа вибрационной машины независимо от величины изменения ее параметров.

Литература

1. Вибрации в технике: справочник. В 6 т. Т. 4. Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э. Лавендела. - М.: Машиностроение, 1981. - 509 с., стр. 460-467.

2. Быховский И.И. Основы теории вибрационной техники. - М.: Машиностроение, - 1968. - 361 с.

3. Кононенко В.О. Колебательные системы с ограниченным возбуждением. - М.: Наука, - 1964. - 256 с.

Способ автоматической настройки резонансных режимов колебаний вибрационной машины с приводом от асинхронного двигателя, заключающийся в том, что колебания рабочего органа вибрационной машины возбуждают периодической силой за счет вращения дебаланса инерционного вибровозбудителя с приводом от асинхронного двигателя, отличающийся тем, что частоту вращения дебаланса настраивают на резонансный режим колебаний механической системы вибрационной машины, для чего измеряют либо перемещение, либо скорость, либо ускорение колебаний рабочего органа относительно его исходного неподвижного положения с одновременным измерением углового положения дебаланса относительно его исходного положения в нижней мертвой точке, определяют сдвиг фаз между колебаниями рабочего органа вибрационной машины и угловым положением дебаланса, определяют рассогласование полученного сдвига фаз от π/2 при измерении перемещения, или от π при измерении скорости, или от 3π/2 при измерении ускорения, изменяют частоту вращения дебаланса в зависимости от величины рассогласования сдвига фаз, сводя ее к нулю, при этом изменение частоты вращения определяют по наперед заданному алгоритму, который связывает сдвиг фазы, частоту питающего напряжения и частоту вращения дебалансов в зависимости от механических и электрических параметров вибрационной машины или двигателя.