Колыбательние электромеханические системы в технике

1-2-3
Глава 1

КОЛЫБАТЕЛЬНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В ТЕХНИКЕ.

1.1. Колебательные электромеханические системы как источник вибрации в технике.

С каждым годом все более широкое применение в различных отраслях народного хозяства находит вибрационная техника и технология. Это характеризуется созданием новых колебательных ЭМС различных типов, способных возбуждать колебания в механических системах – вибрацию. Наиболее распостранение системы с дебалансными, электродинамическими и электромагнитными выбровозбудителями. Во многих случаях наиболее эффективными являются вибрационные с электромагнитными вибровозбудителями (ЭМВВ). Конструктивные и эксплуатационные особенности этих машин позволяют успешно использовать их в современных автоматизированных процессах, начиная легкой и кончая тяжелой индустрией. По сравнению сдругими источниками вибрации ЭМС, выполнение на основе ЭМВВ, отличается простой конструкции, низкими эксплуатациоными расходами и широкими возможностями автоматизации. К их достоинствам относятся отсутсвие врашаюшихся и трущихся пар, отсутствие необходимости в периодической смазке. Замене изношенных часто и в каком бы то ни было текушей уходе, возможность плавного регулирования амплитуди колебаний и практическая бездумность.

В качестве транспортно-технологических агрегатов колебательные ЭМС с ЭМВВ хорошо зарекомендовали себя как писатели, грохоты, бувкерные побудители и конвейрные транспортеры при технологической обработке сыпучих и кусковых материалов крупностью от 0,0001 до 0,5 м, мокрых и влажных, мерелих и нагреты до 500 С [Л.12,20].
Заргузка станков-автоматов, резание металлов, транспортировка, ориентированная выдача деталей из бункера, очистка деталей от заусениц, отсчет и расфасовка единичных изделий, контроль поверхности изделий, испытание приборов и машин на вибропрочность – вот далеко не полный перечень производственных процессов с использованием вибрационых машин с ЭМВВ в машиностроении.
Обработка деталей в галатовочных барабанах с целью удаления окалины, округление острых кромок и т.д. в последнее время успешно заменяются новым способом обработки, основанным на примении вибрации. При этом детали вместе с абразивной средой загружаются в барабан, которому сообщается направленная вибрация. В процессе такой обработки технологический процесс протекает более ускоренно, а качество обрабатываемых деталей значительно улучшается [Л. С].
Многообразие типов и условий применения вибрационных электромеханических систем обуславливает требования, предъявляемые к их принципиальному устройству, конструктивному исполнению и эксплуататционными характеристикам. Каждая отрасль народного хозяйства обладает своими специфическими особенностями, поэтому выбор необходимого типа источника вибрации среди множества сушествующих является сложной задачей. Для облегчения этой задачи необходимо классифицировать все существующие колебательные ЭМС, предназначение для возбуждения колебаний в механических системах.

1.2. Классификация колебательных электромеханических систем с ЭМВВ.

В настоящее время известно схемных и конструктивных исполнений колебательных ЭМС. Выбор того или иного исполнения зависит прежде всего от конкретных технологических требований, предъявляемых к такой системе.
На рис. 1.1. показана классификационная таблица колебательных ЭМС с ЭМВВ, разделенная по вертикали на признаки, а по горизонтали на группы. Все признаки и группы классификации выявлены на основании изучения патентной и технической литературы. Эта классификация разработана для электромагнитных выбровозбудителей, но ее можно расщирить и на другие типы источников вибрации. Первым признаком классификации является принцип работы. Все колебательные системы по принципу работы разделяются на две больше группы – неавтономные и автономные. [Л.19]. В неавтономных ЭМС колебания является вынужденными, они происходят под действием внешнего источника энергии. Этим источником может быть электрическая сеть с частотой 50 Гц или инвертор (рис. 1.2.а; 1.2,б). Колебания в автономных ЭМС или «автоколебания», как их называют, возникают и поддерживаются за счет источника энергии неколебательной природы, причем этот источника регулируется самой ЭМС через устройство ОС. Источником энергии в такой системе является постоянная ЭДС, приложенная к усилителю У.
Второй признак классификации – способ питания. Неавтономные ЭМС по способу питания ЭМВВ разделяются на три группы: автопараметрические, реактивные и реактивные с подмагничиванием. В первую группу входят ЭМВВ с последовательно включенным конденсатором, и питающиеся от сети (рис. 1.4,а); частота колебаний его якоря меньше частоты сети. Такие системы описаны, например в работах [Л.45,86,П.24]. Вторая группа – неавтономные ЭМС с реактивными ЭМВВ. Реактивный вибровозбудитель имеет одну обмотку на которую подается переменное напряжение (рис. 1,4,б).

7
Наиболее многочисленна третья группа – неавтономные ЭМС, которые имеют ЭМВВ с подмагничиванием. Магнитопровод такого вибровозбудителя подмагничивается с помощью специальной схемы. Автономные ЭМС могут иметь только ЭМВВ реактивный с подмагничиванием. Схемы их включения подробного описаны в [Л.54; П. 1,2,13,16,22].

Третий признак классификации – способ подмагничивания магнитопровода. Автопараметрические и реактивные ЭМВВ не нуждаются в подмагничивании. Для реактивных ЭМВВ с подмагничиванием разработано много способов создания постоянного потока. Наиболее часто подмагничивание осуществляется обмоткой. Одна из возможных схем включения этой обмотки показано на рис. 1.4,д. Такая схема применяется для автономных и неавтономных ЭМС. Для неавтономных ЭМС без ОС применияется также подмагничные диодом (рис. 1.4,в) и тиристором (рис. 1.5,г) [Л.99; П.4,7,8,17,21].
Четвертый признак классификации – тин ОС. Для ОС дается название по тому параметру колебаний механической рабочей части ЭМВВ, значение которого подается на вход системы. Таким параметром можеть быть величина фазы, перемещение, скорость или ускорение колебаний. Подавляющее большинство колебательных ЭМС с ЭМВВ, значение которого подается на вход системы. Таким параметром может быть величина фазы, перемещение, скорость или ускорение колебаний. Подавлящее большинство колебательных ЭМС с ЭМВВ, применяющихся в промышленности, не имеет ОС [Л.82,96]. Блоки питания некоторых из них имеют лишь входы для дистанционного регулирования переменного напряжения [Л.80]. В настоящее время ЭМС с ЭМВВ, охваченные ОС, находятся в стадии теоритических разработок и промышленностью не выпускаются. Известно несколько схемных решений неавтономных ЭМС и ОС; все они имеют обратную связь по величине фазы [Л.89; П. З,10,11,18,20].
По пятому признаку классификации ЭМС разделяются в зависимости от параметра, подлежащему регулированию. Таким параметром может быть амплитуда или частота переменного питающего напряжения.

16
ния [Л.4,8-11,87,88]. Другими параметрами могут быть фаза включения тиристора [Л.32,33,40-42; П.12,14,15,17,20], собственная частота [Л.92], напряжание подмагничивания [Л.3,36,41], величина зазора [П.23]. Однако такое регулирование применяется только в ЭМС без ОС.

Другими признаками, не вошедшими в классификацию, является коструктивное исполнение ЭМВВ и других элементов (пружин). В одноконтактном ЭМВВ (рис. 1.4, а-г) колебается только рабочая часть, а магнитопровод жестко укреплен на фундаменте. Электромагнит двухтактного вибровозбудителя состоит из Н-образного сердечника, двух якорей и катушек, соединенных по определенной схеме (рис. 1.4,д).
Связи отдельных признаков показаны на рис. 1.1 линиями. В предлагаемой классификации описаны те признаки и связи, которые позволяет создать практически полезную обратную связь в колебательных ЭМС. Классификация колебательных систем с электромагнитными вибровозбудителями вносит ясность и порядок в огромное количество существуюших схем и кострукций. Она дает возможность осмысленного понимания и последующего теоритеческого анализа.
1.3. Обзор исследований колебательных электромеханических систем с ЭМВВ.

В настоящее время имеется множество технической литературы, посвященной колебательным ЭМС и их применению для возбуждения вибрации в механических системах: с каждым годом это количество увеличивается. Для облегчения обзора исследования, посвященные взаимодействию вибрирующей поверхности с обрабатываемым или транспортируемым телом. Это тело может быть жидким, порошкооб

17
разным, кускообразным различных форм и размеров. Наибольшие следования в этом направлении выполнены Ганиевым Р.Ф, [л.23,24] и Гончаревичем И. [Л.23,24]. Известны работы, посвятпенные применению ЭМС в конкретной отрасли промышленности: [л. 25,26,35] в горнорудной, - в пищевой, [л.34] - в химической, угольной. Другие работы, например [д.12,20], дают краткий, но широкий обзор областей применения различных вибрационных ЭМС. Нас же интересуют в первую очередь требования, предъявляемые со стороны технологических процессов к ЭМС как источнику вибрации. Такими требованиями являются: величина амплитуд ускопения, скорости, перемещения зазора; частота колебаний; вид траектории рабочего органа: форма колебаний; за данные вид амплитудно-частотной характеристики, а также стабилность поддержания этих параметров [л.4,9,20,27,28,38].

К второй группе исследований можно отнести работы, посвященны собственное ЭМВВ как источнику колебаний в механических сис¬темах (вибрации). Процессы происходящие в транспортируемом или обрабатываемом теле, здесь не рассматриваются и не учитываются.
В первых исследованиях общего характера, выполненных Мандельшетаном Л. И. и Папалекси И. Л. [л.61] , была рассмотрена цепь с периодическое последовательно включенним конденсатором. Параметрический резонанс возникает в том слу¬чае, если между частотой Я. изменения индуктивности , собственной' частотой и частотой СО внешней электрической сети имеет место соотношение:
где: П - целое число (I, 2,3, ...).
Исследования автопараметрического ЭМВВ приведены в работах Тайта В. А. [л.8з], Модерова А. А. [я.66], Нитусова Ю. К. (л. 88j, Тиллаходжаева М. М. [л.85-87], Комарова А. А. [л.4б]. В этих работах рассматривалась электрическая цепь с переменной индуктив
18
ностью, описываемая уравнением следующего вида:
Различными методами были найдены решения тока и перемещения за¬зора. Установлено, что с понижением частоты к.п.д. такого устройства резко уменьшается.
Реактивный ЭМВВ с подмагничиванием (рис. 1.4,в) и без подмагкичивания. (рис. 1.4,6) был рассмотрен в работах Чеснокова А.А [Л.100] и дилера 3.Е.[Л.91]. Среди более поздних работ необхо¬димо отметить исследования Ходжаева К. И. [д .93-57]. Они инте¬ресны тем, что впервые-в качестве переменной состояния электри¬ческой подсистемы автор принял не ток, а потокосыепление в манитопроводе, что упростило решение уравнений. Ходжаев К.Ш нашел решения постоянных составляющих и первых гармоник потока и перемещения зазора для различных схем включения неавтономного ЭМВВ без ОС. В работе [Л.99], видимо впервые, автором решена задача синтеза, т.е. разработана методика определения парамет¬ров вибратора, требуемые характеристики вибра¬ции заданной колебательной системы.
Среди исследований второй группы особое место занимают ра¬боты Изотова А. 3. и Ковалевского И. И. [л .32,33,40-42,П.П ,12 I5J, посвященные анализу неавтономных ЭМВВ без обратной связи с фазовым управлением посредством тиристора (рис. 1.4,г). Изменением угла отпирания тиристоров можно эффективно регулировать амплитуду колебаний.

19
амплитуду колебаний.

В работе [Л.46] Комарова А. А. ЭМВВ разделен на электрический и механический четырехполюсники, связанные через поле. Следователь¬но для упрощения анализа этот вибровозбудитель можно представить тремя элементарными звеньяш (рис. 1.5) с внутренней обратной от¬рицательной связью. Внутренняя обратная связь означает здесь модуляцию магнитного потока величиной воздушного зазора ЗМВВ.
К третьей, последней группе следует отнести исследования, посвященные изучению колебательных ЭМС с обратной связью, построен Hire на основе ЭЫВВ. К таким системам, согласно класси-тикапци предложенной в 1.2., относятся все автономные ЭМС, а также не¬автономные с ос по величине фазы. Неавтономные колебательные ЭМС с вс являются наименее изученными [Л.103]. Первые исследования принадлежат Гоубичеку 0. [л.75,76,105]. Нелинейные уравнения ЭМВВ он линеаризовал разложением в ряд Тейлора, отбрасывая члены выше первого порядка. Линеаризация производилась в килой области приращений вокруг номинальных величин переменных в исходном состоянии; были получены передаточные функции звеньев ЭМВВ. К сожалению, передаточная функция механической подсистемы была получена лишь в общем, неявном виде:

В работах [Л.11,77] эти исследования продолжены. Используя сходство физических процессов в ЭМВВ и в асинхронном двигателе (АД), авторы приняли систему относительных единиц, первоначально изложенную в [Л.2,24] для АД. За базисную величину принята собственная частота механической подсистемы на холостом, т.е.

20
без нагрузки на рабочей части. Через однозначно определены wб остальные базисные величины, а затем введена система относительных величин. Подученные уравнения в относительных единицах линеаризованы разложением в ред Тейлора. Получена структурная схема ОЖВ (рис. 1.6) для управления по амплитуде питающего нап¬ряжения. В случае управления по частоте эта схема дополняется передаточной функцией Wфp.n. (р) функционального преобразователя частота-напряжение. Линеаризованная структурная схема позволяет рассчитать переходный процесс. Так например, переходный процесс сгибающей колебаний зазора для возмущения по массе ДШ можно определить по формуле:

Так как известен вид функций, то можно выявить влияние параметров ЭМВВ на быстродействие и вид переходных про¬цессов в ЭМО. сожалению, возможности этого метода анализа ог¬раничены. С его помощью можно рассчитывать лишь системы с ОС по величине амплитуды перемещения. для колебательной ЭМС с ОС по величине азы принципиально невозможно определить передаточные звеньев обратной связи. Это объясняется тем. что мгно¬венные значения напряжения и скорости заменены в уравнению; на их сгибающие; (раза между ними исключается из уравнений.
Рассмотрим исследования, посвященные автономным колебатель-ным ЭМС. К их числу откосятся работы Папина В. И.[Л.101] , Полянского В. A. .[Л.102] , Abu-Akeel [л.104], Rocard [л.10б|. Несомненно, наибольший вклад в развитие теории таких систем внес Кораблев С. G. [М.49-54]. В работе (Л.4] он решил задачу о взаимюдействии одномерного механического осциллятора с без инерционным усилителем, обладающим нелинейной воль темперной и плоской частотной; характеристикой. Уравнения были записаны в

Следующем виде;

(I.I)
Где: Ux- эдс, генериркемая в катушке ОСб при перемешении Х массы мб
U,U₂- конструктивные постоянные,
K – коэффициент трения,
С- жесткость пуржины.
Был сделан вывод, что в результате взаимо действия изменяется амплитудно-частотная характеристика и имеет место эффект незначителного понижения частоты. Автором было сделано сушественное допущение – электромагнитная сила была принята линейно зависящей от тока . Кораблев с.с. распространил это допушение на электродинамические и электромагнитные вибровозбудители при условии что амплитуда перемешения зазора не превышает 30% от длины этого зазора, отношение амплитуды первой гармоники потока к постоянной составляюшей не превышает 0,5 [Л.54] . Несмотря на то, что было принято постоянная составляюшая автоколебенний не определена. В работах [Л.50-52] задача развивается на случай безинерционного усилителя, который обладает не плоской, а перестраиваемой частотной характеристикой, что вносит дополнительную степень свободы в систему (I.I). Было доказано, что устойчивый режим возникает вблизи наименьшей парциальной частоты механической подсистемы с незначительным смещением в строну понижения частоты.
К классу колебательных систем приднадлежат также ударно выбрационные ЭМС [П.5,6,9]. Теория их работы исследована недостаточно полно и требует далнейшей разработки [Л.5,12].
В заключение обзора исследований необходимо выбрать апроксимацию нелинейной зависимости индуктивности обмотки ЭМВВ от величины воздушного зазора. В работе Пеккера.И.И [Л.71] приведены результаты наиболее точных исследованний этой зависимости. Индуктивность Ш- образного электромагнита с плоским якорем при наличии воздушного зазора определяется следуюшим образом:
(1.2)
Где: – приведенная проводимость, - проводимость рассеяния. Эти величины определяются но очень сложным формулам. Формула (1,2) позволяет очень точно рассчитать индуктивности в зависимости от зазора х. В работе Чеснокова А.А [Л.100] применена апроксимирующая зависимость функция:
(1.3)
Где – коэффициенты, не зависящие от величины х. Апроксимация (1,3) значительно проще (1,2), но даже в таком виде эта функция не пригодна для подстановки в уравнения ЭМС с ЭМВВ. Для решения уравнений эдектромеханической системы необходимо иметь достаточно простую аналитическую зависимость L от х обеспечивающую в то же время необходимую точность расчетов. Таким, в обшем-то противоречивым требованиям отвечает апроксимация:
(1.4)
Где: – индуктивность обесточенной обмотки,
- зазор при обесточенной обмотки
– перемешение зазора от ,
- коэффициент апрокцимации.
Коэффициент определяется по формуле:


На рис 1,7. Представлены эксперементально получения зависимость (кривая 1) для ЭМВВ типа С-920 и эта же зависимость, расчитанная по формуле (1,4) (кривая 2). Апрокцимация вида (1,4) применена в многих работах, [Л.15,46,60,67,68,71,77,79,89].
Результаты обзора исследований позволяют установить задачи данной работы и доказать ее актуальность.
1,4. Основные задачи исследования колебательных электромеханических систем.
Иследование колебательных ЭМС с ЭМВВ является сложной, многоплановой задачей. Среди множество проблем необходимо выбрать кокретные, наиболее перспективные задачи исследования. К их числу принадлежат задачи создания и совершенствования резонансных ЭМС с ОС , управляюшей инвертором или усилителем. Такие системы легко встраиваются в существуюшие технологические линии, а модернизация сушествующих колебательных систем с переводом их в резонансный режим обещает значительную экономию электроэнергии и метала. В настоящее время промышленность СССР выпускает целый ряд инверторов из них можно применить для читания ЭМС, генерируюших практически полезные механические колебания. Следует отметить одно важно преимушество приминения инверторов и усилителей с пониженной до 10÷15 Гц рабочей частотой. Из известной формулы для амплитуды колебаний перемещения
. (1.5)
Где Q – амплитуда электромагнитной силы, следует, что при резанансной частоте амплитуда Х обратно пропорционально частоте, т.е.:

Понижение частоты резонанса приводит к увеличению амплитуды колебаний. Это свойство необходимо использовать при проектировании колебательных систем.


Необходимо разобраться в вопросе выбора вида ОС в неавтономных и автономных ЭМС. Из амплитудо - и фазо-частотных характеристик ЭМВВ (рис 1,8) видно, что однозначную зависимость от частоты имеет только фаза между вынуждающей силой и перемещением. Амплитудно - частотная характеристика имеет резонансный характер, поэтому каждому значению амплитуды соответствуют Два значения расстройки частоты . Фаза даёт однозначную информацию о расстройке . Следовательно, если на выходе устройства ОС будет постоянное напряжение, пропорциональное величине фазы, то можно подать его на выход неавтономной ЭМС для настройки в резонанс. Такие схемы уже были созданы [П.3,10] . Нами была предложена одно из возможных схем, работающих на таком принципе [П.18,Л.89]. В третьей главе данного исследования будет рассмотрена более современная неавтономная ЭМС с ОС по величине фазы. Все другие виды ОС - не резонансные, поэтому потребляют большее количество электроэнергии.
В автономных ЭМС происходят принципиально другие колебательные процессы. На выходе устройства ОС ( рис 1,3) образуется переменное напряжение пропорциональное или перемещению или скорости или ускорению. Критерием выбора вида ОС служит возможность получения резонансного режима при изменении массы нагрузки.
При построении ЭМС С ОС задачу автоматической настройки в резонанс нужно рассматривать несколько шире, чем это делалось раньше. Дело в том, что при понижении частоты резонансного режима амплитуда Х возрастает по гиперболе (1,5). При определенном значении амплитуды наступит нежелательный ударный режим работы ЭМВВ. Следовательно, возникает задача синтеза таких резонансных ЭМС, которые могли бы при необходимости уменьшать амплитуду резонансных колебаний до безопасных пределов и стабилизировать ее. Такой эффект можно получить автоматическим смешением рабочей точки ( рис 1,8) с пика резонансной амплитудно-частотной характеристики. Это можно сделать двумя способами: а) смешением на правый склон (точка в), б) смешением на левый склон (точка с на рис 1,8). Технически этот эффект реализуется включением корректирующего звена в устройство ОС.
К второй половине основных задач исследования необходимо отнести задачу анализа всех ЭМС С ОС. В задачу анализа входит определение действующих или амплитудных значений тока, электромагнитной силы, перемещения, скорости, ускорения, а так же частоты и фазы колебаний. Необходимо выявить зависимость параметров колебаний от параметров электрической и механической подсистем ЭМС. Практически важно определить границу ударного режима ЭМВВ, входящего а ЭМС. Очень важно выбрать математический метод решения нелинейных уравнений ЭМВВ И ЕМС. Применение таких методов как метод малого параметра, медленно меняющихся амплитуд, метод точечных преобразований, фазовой плоскости, вскрывающих сечений [Л.14,16,63] и других нецелесообразно из-за высокой разметности рассматриваемых систем. Среди приближеных методов наиболее результативным является метод гармонической линеаризации, позволяющий одновременно с качественным разбиением системы на элементарные звенья находить параметры колебаний. Отличием этого метода является то, что он не имеет целью решать исходные нелинейные уравнения для определения колебательного процесса во времени. Данным методом составляются алгебраические уравнения в вещественных или комплексных переменных, связывающие непосредственно параметры системы с такими общими параметрами процесса как частота, амплитуда переменной составляющей, постоянная составляющая, быстрота их затухания и т.д..
И так, основные задачи исследования колебательных ЭМС С ЕМВВ можно сформулировать в следующем виде:
1. Разработка схем колебательных ЭМС С ЕМВВ, стабилизированных по амплитуде колебаний перемещения, скорости или ускорения, работающих по принципу автоматического выбора рабочей точки на склоне амплитудно-частотной характеристики.
2. Анализ колебательных ЭМС С ЕМВВ с учётом нелинейностей и определение зон устойчивых и безударных режимов работы.
3. Синтез ЭМС С ЕМВВ, отвечающих заданным требованиям стабилизации амплитуды колебаний рабочей части.
Решение поставленных задач создаст предпосылки для разработки новых поколений колебательных ЭМС С принципиально иными устройствами ОС.
Ближайшей перспективой является создание двухконтурных ЭМС. Принцип работы двухконтурных стабилизированных по амплитуде колебательных ЭМС заключается в следующем. Для выравнивания пиков семейства амплитудно-частотных характеристик необходимо регулировать амплитуду напряжения, приложенного к обмотке ЭМВВ, в зависимости от частоты колебаний. При этом главный контур настраивает частоту колебаний в резонанс для достижения наиболее экономичного режима работы.
Вспомогательный контур обеспечивает стабилизацию амплитуды колебаний за счёт регулирования напряжения. Возможны несколько вариантов построения вспомогательного контура ОС [Л.43.П.13] . Во всех случаях этот контур должен подавлять паразиткые автоколебания, возникающие в нем.
Другим перспективным направлением развития является разработка систем с экстремальной системой регулирования. Сущность этого метода заключается в создании управляющего частотой сигнала по результатам измерения крутизны склонов амплитудно-частотной характеристи ЭМВВ [Л.31].
Итак задача анализа и синтеза колебательных ЭМС С ЕМВВ является сложной, многоплановой задачей, имеющей свое прошлое, настоящее и будущее. Реализация результатов данного исследования промышленности позволить повысить эффективность уже работающих колебательных ЭМС, а также создать новые их типы, обладанию полезными свойствами. Таким образом, задачи данного исследования представляются актуальными, а использование полученных результатов создать экологический эффект при их внедрении в промышленность.
Начало формы