автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обоснование режимов работы вибрационной щековой дробилки с авторезонансным электроприводом маятниковых вибровозбудителей возвратно-вращательного движения

На правах рукописи

ГАВРИЛОВ Юрий Александрович

¿-/л

004606223

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННОЙ ЩЕКОВОЙ ДРОБИЛКИ С АВТОРЕЗОНАНСНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

МАЯТНИКОВЫХ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕЙ ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03- Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ИЮН 2010

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010

004606223

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Загривный Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шестаков Вячеслав Михайлович,

кандидат технических наук, доцент

Ведущее предприятие - ЗАО «НПО РИВС»

Защита диссертации состоится 29 июня 2010 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 28 мая 2010 г.

Соловьев Виктор Сергеевич

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

В.В.ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вибрационные щековые дробилки (ВЩД) предназначены для дробления руд и нерудных материалов, переработки изделий с большим отношением длины к толщине, получения продуктов с низким содержанием мелких классов. Эти дробилки получили применение в горно-обогатительной, металлургической, химической, строительной промышленности и в других областях народного хозяйства.

Достоинствами ВЩД являются высокая степень дробления, низкая удельная энерго- и металлоемкость, ускоренное прохождение материала через камеру дробления, динамическая уравновешенность системы и способность пропускать недробимые тела. Эти дробилки способны работать в условиях перегрузок, их можно останавливать и пускать с полностью загруженной рабочей камерой. В ВЩД возможно использование явления резонанса для разрушения материала.

В России ВЩД разрабатываются в ОАО «Механобр-Техника», Институте горного дела имени А.А. Скочинского и др., за рубежом работы по созданию ВЩД проводились в ФРГ ^¡еЫесЬпИс), Швеции (8уеёа1а), Польше (Горная академия г. Кракова), США и т.д.

Традиционные ВЩД оснащаются электромеханическими вибро-возбудигелями, выполненными на основе самосинхронизирующихся несбалансированных роторов с электроприводом переменного тока. ВЩД работают в неэффективной с точки зрения энергетических затрат зарезонансной зоне, а работа на резонансной частоте электромеханической системы невозможна из-за проявления эффекта Зоммерфельда. Поэтому установленная мощность электродвигателей оказывается завышенной в 2-5 раз, что обуславливает неудовлетворительную энергетику приводов.

Использование авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения (ЭПВВД) для привода маятниковых вибровозбудителей ВЩ Д позволит создать вибрационную дробилку, лишенную указанных недостатков и способную работать на резонансной частоте электромеханической системы. Синхронно-противофазный режим колебаний дробящих щек обеспечивается за счет принудительной электрической синхронизации электроприводов при питании от одного источника.

Одним из актуальных вопросов при создании ВЩД с авторезо-

нансным электроприводом маятниковых вибровозбудителей возвратно-вращательного движения является обоснование режимов работы ВЩД, решению которого и посвящена настоящая работа.

В работе исследовался нетрадиционный ЭПВВД с использованием электромеханического преобразователя, состоящего из трехфазного статора асинхронного электродвигателя и ротора с возбуждением от постоянных магнитов (магнитный ротор) - далее ЭДМР.

Работа базируется на результатах исследований Аристова A.B., Асташева В.К., Блехмана И.И., Вайсберга Л.А., Гончаревича И.Ф., Епишкина А.Е., Загривного Э.А., Зарогатского Л.П., Кононенко В.О., Луковникова В.И., Мандельштама Л.И., Нагаева Р.Ф., Ревнивцева В.И., Тимошенко С.П., Туркина В.Я., Усольцева A.A., Усынина Ю.С., Шеста-кова В.М. и многих др.

Цель работы - повышение эффективности работы В1ДД за счет реализации авторезонансного режима работы ЭПВВД вибрационной щековой дробилки с маятниковыми вибровозбудителями.

Идея работы. С целью обеспечения работы в резонансных режимах в вибрационных щековых дробилках следует применять маятниковые вибровозбудители с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения с заданным размахом колебаний.

Задачи исследований включают разработки:

1. Расчетной схемы и математической модели системы «авторезонансный ЭПВВД - ВЩД-дробимый материал»;

2. Системы управления электроприводом маятниковых вибровоз-будигелей ВЩД в авторезонансном режиме;

3. Методики определения основных динамических параметров ВЩД с авторезонансным ЭПВВД;

4. Имитационной модели ВЩД с авторезонансным ЭПВВД и анализ режимов работы ВЩД с ЭПВВД маятниковых вибровозбудителей;

5. Лабораторного макета авторезонансного ЭПВВД и проведение экспериментальных лабораторных исследований авторезонансного ЭПВВД для ВЩД.

Научная новизна исследований вибрационной щековой дробилки с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей, защищенной патентами РФ [911], заключается в том, что впервые:

1. Получены зависимости электромагнитного момента электродвигателя с магнитным ротором и трехфазным статором от угла пово-

рота ротора относительно статора с размахом колебаний ротора 60, 120 и 180 электрических градусов в зависимости от схем соединения обмоток статора, которые позволяют выбирать трехфазные статоры для авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей.

2. Установлена зависимость параметров маятникового вибровозбудителя от заданных значений передаваемой дробящей щеке мощности, резонансной частоты и соотношений амплитуд колебаний маятникового вибровозбудителя и дробящей щеки.

3. Обоснован способ определения работы, выполняемой внешней и диссипативными силами в виде линейно-нарастающей, вязкого и сухого трений при несимметричном режиме на рабочем ходе.

Защищаемые научные положения:

1. Связанные колебательные системы с равными парциальными частотами и сильной инерциальной связью электромеханическая с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения маятникового вибровозбудителя и механическая с дробящей щекой, образующие вибрационную щековую дробилку, делают возможной стабильную работу в резонансной зоне с расчетными нагрузками, при этом требуемая амплитуда вынужденных резонансных колебаний дробящей щеки в номинальном режиме обеспечивается заданием распределения амплитуд дробящей щеки и маятникового вибровозбудителя.

2. Размах колебаний маятникового вибровозбудителя может принимать значения 60, 120 и 180 электрических градусов в зависимости от схемы соединения обмоток электродвигателя с трехфазным статором и магнитным ротором, которым укомплектован электропривод маятникового вибровозбудителя, а авторезонансный режим электропривода маятникового вибровозбудителя должен реализоваться путем изменения знака электромагнитного момента при скорости колебаний ротора равной нулю.

Методы исследований. Теоретические исследования, имитационное моделирование электромеханической системы с использованием приложения Simulink пакета прикладных программ Matlab, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы макета на лабораторном стенде с разработанной системой управления авторезонансным ЭПВВД с использованием среды графического программирования LabVIEW, анализ полученных ре-

зультатов.

Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической механики, теории колебаний, электромеханики и электрических машин, теории автоматизированного электропривода, методов компьютерного моделирования и сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований не хуже 90%.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Авторезонансного ЭПВВД маятниковых вибровозбудителей с электродвигателем, укомплектованным ротором с возбуждением от постоянных магнитов Nd-Fe-B и трехфазным статором, для ВЩЦ, защищенной патентом РФ.

2. Схем соединения обмоток ЭДМР в авторезонансном ЭПВВД маятниковых вибровозбудителей.

3. Имитационной модели (с вычислителями работ за период внешней и диссипативной сил) электромеханической системы ВЩЦ с авторезонансным ЭПВВД маятниковых вибровозбудителей.

4. Экспериментального стенда, имитирующего работу авторезонансного ЭПВВД маятниковых вибровозбудителей ВЩЦ на основе ЭДМР.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на: 4-ой Международной конференции «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, ИПКОН РАН, 2007 г.); Всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2007 и 2008 гг.); 48-ой Международной научной конференции в Краковской горнометаллургической академии (Польша, Краков, AGH, 2007 г.); Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2008 г.); ежегодной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, Clll 1 И (ТУ), 2007-2009 гг.); ежегодной Международной конференции молодых ученых «Challenges and Solutions in Mineral Industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2009).

Личный вклад автора:

1. Получены аналитические выражения электромагнитного момента ЭДМР при работе в режиме возвратно-вращательного движения

и в зависимости от схемы соединения обмоток статора.

2. Разработана методика определения основных динамических параметров ВЩД с авторезонансным ЭПВВД.

3. Создана имитационная модель электромеханической системы ВЩД с ЭПВВД.

4. Разработан и использован виртуальный прибор (в ЬаЬУ1Е\У) для проведения экспериментальных исследований.

5. Разработан лабораторный макет авторезонансного ЭПВВД доя маятниковых вибровозбудителей ВЩ Д.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, 2 работы в зарубежных изданиях, 2 патента РФ, а также получено 1 положительное решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 163 страницах, содержит 114 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 83 наименований.

Во введении представлена общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулирована идея работы.

В первой главе проведен анализ конструктивных схем традиционных ВЩ Д и электроприводов возвратно-вращательного движения.

Во второй главе представлены расчетная схема и математическая модель электромеханической системы ВЩД с ЭПВВД, методика определения основных динамических параметров ВЩД с авторезонансным ЭПВВД.

В третьей главе представлены статические механические характеристики ЭДМР, способ управления авторезонансными колебаниями, варианты схем авторезонансного ЭПВВД.

В четвертой главе представлены имитационная модель электромеханической системы ВЩД с авторезонансным ЭПВВД результаты исследования режимов работы ВЩД с авторезонансным ЭПВВД при представлении дробимого материала различными видами и комбинациями нагрузок.

В пятой главе представлены экспериментальный лабораторный стенд и макет ЭПВВД маятниковых вибровозбудителей ВЩ Д для исследования авторезонансного режима, приведены результаты экспериментальных исследований.

В заключение представлены выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Связанные колебательные системы с равными парциальными частотами и сильной инерциальной связью электромеханическая с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения маятникового вибровозбудителя и механическая с дробящей щекой, образующие вибрационную ще-ковую дробилку, делают возможной стабильную работу в резонансной зоне с расчетными нагрузками, при этом требуемая амплитуда вынужденных резонансных колебаний дробящей щеки в номинальном режиме обеспечивается заданием распределения амплитуд дробящей щеки и маятникового вибровозбудителя.

Для построения математической модели системы (рис. 1) использовалось уравнение Лагранжа второго рода [1-3, 6, 10]:

d_ dt

дТ) dTdFdlJ dqj dqt dq, dq,

где T и П - кинетическая и потенциальная энергии системы соответственно, Дж; F = fi-(jfl2 - энергия вязкого трения (диссипа-тивная функция), Дж; ju - коэффициент вязкого трения, Н-с/м; Qi - обобщенные внешние силы; п - число степеней свободы.

Принимая за обобщенные координаты = х, м и q2=<P, рад получены уравнения движения системы (рис. 1) при следующих допущениях: силы трения в подшипниках и при движении ползуна отсутствуют; электромагнитные переходные процессы не учитываются в виду малости времени их протекания по сравнению с периодом механических колебаний; упругие элементы линейные; потери энергии в электроприводе определяются КПД электродвигателя:

({М + m)- 'x + jx-x + Ci •x = m-a-i{p1 -sin^-^-cos^) (.J2 + + •(¡> = Md -w-a-(g-sin9? + Jc-cos^)

К особенности системы можно отнести применение нетрадиционного авторезонансного ЭПВВД [7-9,11].

Этот ЭПВВД позволяет получать авторезонансные колебания ротора с размахом 60, 120 и 180 геом. градусов при использовании

трехфазного статора с одной парой полюсов и 30, 60 и 90 - с двумя парами полюсов.

Свойство ограничения размаха колебаний позволяет создавать вибрационные машины, способные работать во всех режимах без превышения механических напряжений в силовых системах.

Известно, что система с двумя степенями свободы в общем случае имеет две резонансные частоты и й>|, при этом парциальные частоты и

колебательных систем с одной степенью свободы, из которых состоит исходная система, лежат между частотами связанной системы, т.е.

Принимая Я, = ¿2 = Л, получим колебательную систему с двумя степенями свободы с сильной инерциальной связью и

Рис. 1. Динамические расчетные схемы ВЩД с авторезонансным ЭПВВД по координатам: а) б) ЧгЧ> 1-дробящая щека; 2-ползун; З-направляющая ползуна; 4-корпус дробилки; 5-маятниковый вибровозбудитель; 6-вал; 7-подвеска щеки; 8-лепесгковая муфта; 9-ротор электродвигателя; 10-муфта; 11-улругий элемент; М и от-массы дробящей щеки с ползуном и маятникового вибровозбудителя; С/, с^-коэффициенты жесткости упругих элементов подвески дробящей щеки и ротора с маятниковым вибровозбудителем; а-расстояние от оси качания до центра тяжести К; х , х , х - перемещение, скорость колебаний и ускорение дробящей щеки соответственно; <р, ф, ф - уг ол, скорость и ускорение колебаний маятникового вибровозбудителя соответственно; 32 и У,-момент инерции ротора и маятникового вибровозбудителя соответственно; Му — моменты электродвигателя и упругого элемента; g-ускорение свободного падения

авторезонансмым ЭПВВД маятникового вибровозбудителя с заданными вынужденными амплитудами колебаний по х и <р.

Разработана методика определения динамических параметров системы при заданных частоте резонансных колебаний Л, с"1 и работе сил IV, Дж за период.

Создана имитационная модель (рис. 2) по уравнениям (2) со

следующими параметрами: Я = Л1=Л2 = 314 с4; IV = 100Дж; М = 35 кг; т = 1.87 кг; = 45.6 Н-м; с, = 3.639-106 Н/м; сг = 3.307-103 Н-м/рад; ц = 4052.8 Н-с/м; У/= 0.0135 кг-м2; ^ = 0.02 кг-м2; а = 0.052 м; Ах=5 мм; А0 = 0.7 рад.

Имитационная модель [3,6] позволяет: 1) вводить и вычислять динамические параметры расчетной модели; 2) при заданной резонансной частоте вычислять работы за период сил дробящей щеки и электродвигателя; 3) исследовать режимы работы дробилки с разомкнутой и замкнутой системами управления ЭПВВД; 4) задавать вид статической характеристики электродвигателя и нагрузку в виде: а) вязкого трения; б) сухого трения; в) эквивалентного вязкого трения и их комбинаций, а также в виде линейно-нарастающей на РХ; 5) имитировать изменение динамических параметров элементов системы в процессе работы модели; 6) имитировать тормозные режимы ЭПВВД при превышении амплитудой колебаний маятникового вибровозбудителя теоретически допустимых значений; 7) визуально представлять результаты моделирования.

На имитационной модели исследовались режимы работы ВЩД с ЭПВВД при разомкнутой и замкнутой системе управления (рис. 3). Нагрузка формировалась и задавалась в виде: вязкого, сухого трения, линейно-нарастающей и их комбинациями на РХ и XX.

Рис. 2. Имитационная модель с блоками: 1 - формирования и задания нагрузок N в ВЩД с ЭПВВД на холостом (XX) и рабочем (РХ) ходах; 2 -формирования авторезонансного управления; 3 - формирования электромагнитного момента; 4 - формирования х и <р;5- осциллограф; 6 и 7 - вычислители работ сил за период

а) Ма.ф.ср'.о.е.

2 1---г

Мх.х'. о.е.

X У N X*

1 О -1 -2 -3

-4__

25.01

25.02

25.03

25.04

б) Ма.ф.ч»', о.е.

/2^'-'-1

25.01

25.02

25.03

25.04

гу ф

7 м" \ /

Ю.х'. о.е.

и

25 25.01 М<д.<р.<р'.о.е.

25.02 25.03

25.04

М.хх'. о.е.

\ \ / / \ \ / / \ \ /

х N \ х'

25 25.01 25.02 25.03 25.04 25.05

Рис. 3. Результаты имитационного моделирования режимов работы ВЩ Д с авторезонансным ЭПВВД: а и б) симметричные режимы с вязким трением при синусоидальном электромагнитном моменте и моменте ЭДМР; виг) несимметричные режимы с вязким трением (на РХ) при синусоидальном электромагнитном моменте и моменте ЭДМР; д) несимметричное нагружение (90% сухое и 10% вязкое трение на РХ) при электромагнитном моменте ЭДМР; е) линейно-нарастающая нагрузка на РХ при электромагнитном моменте ЭДМР

Следует отметить полезное качество рассматриваемой системы - автоматическое уменьшение амплитуды колебания маятникового вибровозбудителя с сохранением амплитуды колебаний щеки при снижении нагрузки, что является свойством систем с двумя степенями свободы (эффект динамического гашения колебаний при /¿->0, ^ -> 0 ) (рис. 4).

Проведена проверка работы модели при выполнении условий теоремы взаимности: действие расчетной внешней силы перенесено на координату х, а диссипативная сила, выполняющая работу W= 100 Дж - в координату <р. При моделировании в расчетном режиме значения координат х, х, м/с и ср, <р, рад/с сохраняются, как и на рис. 4а. При снижении нагрузки координата х уменьшается, как на рис. 4 координата <р. В этом случае успокоителем колебаний координаты х служит маятник с координатой (р, что является замечательным общим свойством систем с многими степенями свободы.

Учитывая существенную разницу нагрузок на РХ и XX, представляется целесообразным использовать несимметричные режимы задания электромагнитного момента двигателя, а именно - формировать электромагнитный момент двигателя на РХ, а на XX использовать момент упругого элемента, значительно превышающий электромагнитный момент (для рассматриваемой ВЩЦ: My/Md ~ 50). При работе в таком режиме появляется возможность полнее использовать энергетические возможности двигателя, увеличивая ток РХ на 20-30% при сохранении его номинального действующего значения.

Анализ режимов работы ВЩЦ показал, что расстройка парциальных частот в диапазоне до 10% от резонансной частоты приводит к пропорциональному уменьшению работы дробящей силы и отклонению размаха колебаний дробящей щеки не более 10% от заданного.

<р, о.е

0 5 10 15 20 25 30

Рис. 4. Режим работы ВЩД при сбросе нагрузки (симметричное нагружение вязким трением): а) - 100%; б) - 66%; в) - 33%

2. Размах колебаний маятникового вибровозбудителя может принимать значения 60,120 н 180 электрических градусов в зависимости от схемы соединения обмоток электродвигателя с трехфазным статором и магнитным ротором, которым укомплектован электропривод маятникового вибровозбудителя, а авторезонансный режим электропривода маятникового вибровозбудителя должен реализоваться путем изменения знака электромагнитного момента при скорости колебаний ротора равной нулю.

Известно, что амплитуды вынужденных колебаний в системах с двумя степенями свободы определяются параметрами системы и связаны соотношением Ах / А2 = к . Динамические параметры системы определяются из условия выполнения заданной работы за период в номинальном режиме при заданных амплитудах колебаний маятникового вибровозбудителя и дробящей щеки.

Колебания маятниковых вибровозбудителей ВЩД на резонансной частоте должны быть нечувствительны к изменению динамических параметров элементов системы в достаточно широком диапазоне, а также к величине и характеру нагрузки (рис. 3).

Таким достаточно жестким требованиям в полной мере отвечает нетрадиционный ЭПВВД с системой управления авторезонансными колебаниями и ЭДМР (с одной или двумя парами полюсов).

Принят способ управления авторезонансными колебаниями: изменение знака электромагнитного момента двигателя в ЭПВВД должно выполняться на каждом полупериоде (периоде) колебаний, синфазно со скоростью колебаний ротора относительно статора в моменты времени перехода кривой скорости через нулевое значение (рис. 5, а).

В резонансном режиме сдвиг между фазами возмущающей силы и вынужденных колебаний составляет я/2 (рис. 5, б).

В ЭПВВД с магнитным ротором (при одной паре полюсов) в зависимости от схемы соединения обмоток статора возможно получение колебаний с размахом 60, 120 и 180 геометрических градусов (рис. 6, вкладка).

Колебания магнитного ротора могут быть получены при: 1) однополярном питании с поочередным подключением одной из двух рабочих обмоток (рис. 6, а, б, г-ж, вкладка);

а)

М, ф',ф

б)

; л -

\ ЗЯ \ 2 И' *

/271 2

Т о

а

ы

Мг>Р1

(О а

2) питании знакопеременным током от однофазного автономного инвертора тока (рис.6, в, з-и, к-п, вкладка).

В соответствии с расчетной схемой

(рис. 7) получено общее уравнение электромагнитного момента ЭДМР (3) при различных схемах соединения обмоток (рис. 6, вкладка), а также для различных схем определены значения пускового и максимального моментов (4) и (5) соответственно.

I М

Рис. 5. Графики установившихся вынужденных колебаний в электромеханической системе: а) колебания в авторезонансном режиме при ю/со0=1; б) сдвиг между фазами возмущающей силы и вынужденных колебаний при различных значениях демпфирования

^ ^_ \к • а • у/1 ■ вт(ай/2 - (р) при <р по ч.с.

\К-а-у/1- ж).{27г - (а0/2 + $?)) при (р против ч.с.

,(3)

где коэффициент пропорциональности; (//0-потокосцепление фазы статора, Вб.

Общее уравнение пускового электромагнитного момента

МП=К-Ъ-у/1, (4)

Общее уравнение максимального электромагнитного момента Мшх=К-с-11/1. (5)

Значения коэффициентов а, Ь, с и а0 представлены в таблице 1.

Полный пусковой момент определяется суммой момента кручения упругого элемента Му, Н-м и пускового электромагнитного момента Мп, Н-м

мш =МУ+МП = с2-А)р+Мп.

(6)

Рис. 6. Схемы соединения обмоток статора и распределения токов в обмотках ЭДМР в зависимости от схемы соединения и амплитуды (размаха) колебаний ротора электродвигателя при установившихся вынужденных авторезонансных колебаниях: а), г), д), к), м), н) - размах 60 геом. град.; б), е), ж), л), о), п) - размах 120 геом. град.; в), з), и) -размах 180 геом. град.; СУ - система управления; VS1-VS2 - тиристоры; VD1-VD2 - "отсекающие" диоды; Ск - коммутирующая емкость; В - выпрямитель трехфазный; L - дроссель постоянного тока; И - инвертор; ВМ - выпрямитель однофазный

-0-rsrsr4g-

V2 Vl

На рис. 7: угол колебания ротора относительно оси у в системе координат YOX, связанной со статором, рад; а-угол между векторами потокосцеплений ротора и статора, рад; oto - теоретически возможный размах колебаний ротора относительно статора.

В зависимости от схемы соединения обмоток статора при j^|>30°, \(р\ > 60° и

\(р\ > 90°, электромагнитный момент Мэм меняет знак и обеспечивает тормозной режим, что позволяет ЭДМР работать в любых режимах вплоть до холостого хода.

Таблица 1

Значения коэффициентов уравнений электромагнитного, пускового и максимального моментов

Рис. 7. Расчетная схема ЭДМР

№ п/п Рис. № аг0, град. а, о.е. b, о.е. с, о.е.

1 6 а, г-д 60 2,3 1,99 1,99

2 6 б, е-ж 120 2,3 1,99 2,3

3 6 к, м-н 60 3,45 2,99 2,99

4 6 л, о-п 120 3,45 2,99 3,45

5 6 в, з-и 180 3,45 - 3,45

Лабораторные экспериментальные исследования. Цель: исследование режимов работы авторезонансного ЭПВВД. Разработано и изготовлено: 1) массивный и магнитный (ООО «Экомаг», г. Владимир, Московская обл.) роторы с одной парой полюсов и датчик положения и скорости колебаний (ДПС) рис. 8; 2) лабораторный макет ЭПВВД (рис. 9); 3) контрольно-измерительная система с виртуальным прибором в среде графического программирования ЬаЬУ1Е\У с комплектом датчиков тока и напряжения, платы сбора данных, персонального компьютера [4-5]; 4) тиристорные источники питания и система управления авторезонансными колебаниями. Исследованы: 1) режимы работы ЭПВВД с разомкнутой системой управления; 2) статические характеристики электромагнитных моментов Мэм = /(<р) при номинальных токах в обмотках статора электродвигателя АИР10082УЗ (/н= 13.7/7.9, А; 11н = 220/380, В; и = 2850, об/мин; Рн = 4, кВт; Мн = 13.4, Нм). Получены экспериментальные значения Мшх, МП и их относитель-

ные номинальные значения (табл. 2); 3) экспериментально определена индукция в воздушном зазоре двигателя В = 0,6 Тл; 4) разработаны варианты схем управления авторезонансными режимами (рис. 10 и 11) по принятому способу (рис. 5).

Таблица 2

Экспериментальные электромагнитные моменты ЭДМР

№ п/п Рис. № ММАХ> Нм Мп, Нм о.е. мп/мн, о.е. ММАХ 1М11 ' о.е.

1 6 а, г-д 10,5 10,5 0,78 0,78 1

2 6 б, е-ж 7,6 6,0 0,57 0,45 1,26

3 6 к, м-н 13,0 13,0 0,97 0,97 1

4 6 л, о-п 12,0 10,8 0,90 0,81 1,11

5 6 в, з-и 12,9 - 0,96 - -

б) в) г) д)

\т

Рис. 8. Фото магнитного ротора и ДПС: а) магнитный ротор ср=/; б) магнитопровод с полуобмотками; в) магнитный ротор ДПС; г) корпус с магнитопроводом; д) сборка датчика

На рис. 9 1-измерительная система; 2-наборное поле; 3-источники питания датчиков тока и напряжения; 4-генератор сигналов; 5-осциллограф; 6-персона-льный компьютер; 7-рама; 8-торсион; 9-маятниковый вибровозбудитель; 10-ЭДМР со специально разработанным бесконтактным ДПС см. рис. 8, б-д; 11-нагрузочная машина.

Рис. 9. Лабораторный макет авторезонансного ЭПВВД: а) лицевая часть стенда; б) электромеханическая колебательная система

Рис. 10. Осциллограммы скорости колебаний ротора Рис. 11. Принципиальная схе-<ртоков в обмотках двигателя 1У2-у1и 1\У2-\\г1 и им- ма авторезонансного ЭПВВД: пульсов управления 11упр (/= 20,5 Гц) в авторезо- ДС-датчик скорости, К-

нансном режиме компаратор

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, приведены теоретические и экспериментальные исследования, которые в совокупности представляют научно-технические решения по выбору параметров ВЩЦ и авторезонансного ЭПВВД маятниковых вибровозбудителей, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области дезинтеграции минерального сырья и других материалов и позволит создать новые В1ДЦ, обладающие существенно большей эффективностью.

Основные научные и практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Электродвигатель с трехфазным статором АД и магнитным ротором (ЭДМР) при питании от однофазного автономного инвертора тока и реверсировании электромагнитного момента в точках (р'-0, синфазно с (р' в электромеханической колебательной системе обеспечивает авторезонансные возвратно-вращательные колебания ротора в зависимости от схем соединения обмоток статора ЭДМР с размахом 60/р, 120/р и 180/р геометрических градусов (р - число пар полюсов).

2. Разработанный и изготовленный магнитный ротор с одной парой полюсов (ООО «Экомаг», г. Владимир) на основе постоянных магнитов Nd-Fe-B создает в воздушном зазоре 5=(1±0,])мм относительную индукцию не менее В =Вм/Вн ~ 0,76 (Вн индукция в воз-

душном зазоре АД).

3. Максимальный электромагнитный момент исследуемого ЭДМР не ниже номинального электромагнитного момента асинхронного электродвигателя, статор которого использован в ЭДМР.

4. Пусковой упругий момент в ЭПВВД на каждом полупериоде колебаний Му =с-А(р = Л2 -А существенно больше электромагнитного момента ЭДМР (в исследуемой ВЩД: Му!Ма я 50), что позволяет в системах с несимметричной нагрузкой использовать режим с включением электродвигателя только на рабочем ходе (РХ).

5. При несимметричных режимах работы ВЩД появляется возможность полнее использовать энергетические возможности двигателя, увеличивая ток РХ на 20-30% при сохранении его номинального действующего значения и применять пульсирующие однонаправленные токи, что упрощает источники питания.

6. Разработанный и изготовленный бесконтактный датчик положения и скорости с кольцевой обмоткой и магнитным ротором позволяет реализовать систему управления авторезонансным режимом колебаний ротора ЭДМР.

7. В исследуваемой ВЩД с двумя связанными колебательными системами с равными парциальными частотами и авторезонансным ЭПВВД с принятым размахом колебаний маятникового вибровозбудителя амплитуда вынужденных резонансных колебаний дробящей щеки определяется заданными значениями работы за период IV, амплитудой колебаний маятникового вибровозбудителя Ар и резонансной частотой Л.

8. Значение ¿1 = т-а при заданных Л, IV, Ах и А^ определяются выражением (1 = /л-Ах/Л• Ар и позволяет определить конструктивные параметры маятникового вибровоздудителя.

9. Исследуваемая ВЩД обладает замечательным свойством систем с двумя степенями свободы: при снижении нагрузки от номинальной до XX уменьшает амплитуду колебаний маятникового вибровозбудителя при сохранении амплитуды колебаний дробящей щеки (эффект динамического гасителя колебаний).

10. Имитационная модель ВЩД с авторезонансным ЭПВВД позволяет исследовать симметричные и несимметричные режимы работы

при различных видах нагрузки (вязкое и сухое трение, линейно-нарастающая и их комбинации) с вычислением работ за период дис-сипативных и внешних сил.

11. Исследование авторезонансных режимов при условии равенства работ за период при различных видах нагрузок показали: амплитуды колебаний маятникового вибровозбудителя и дробящей щеки имеют равные значения, а форма колебаний остаются практически синусо-дальной.

12. Расстройка парциальных частот в диапазоне до 10% от резонансной частоты приводит к пропорциональному уменьшению работы диссипативной силы и снижению размаха колебаний дробящей щеки не более 10% от заданного.

13. Разработанный авторезонансный электропривод возвратно-вращательного движения может найти применение при создании других вибрационных машин (виброгрохоты, вибромельницы, вибротранспорт и др.).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гаврилов Ю.А. Резонансная вибрационная щековая дробилка с маятниковым вибровозбудителем / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов // Материалы 4-ой Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». - М., ИПКОН РАН, 2007. С. 175-179.

2. Gavrilov Yu. Increasing of the productivity of the vibrational jaw crusher based on resonant mode of its work // Materialy XLVIII Sesji Pionu Gorniczego, Krakow, 2007, P. 212.

3. Гаврилов Ю.А. Математическое и имитационное моделирование резонансной вибрационной щековой дробилки с маятниковым вибровозбудителем / Ю.А. Гаврилов, Э.А. Загривный // Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXXVI Неделя науки СПбГПУ». - Ч. V., СПб., СПбГПУ, 2008. С. 130-132.

4. Гаврилов Ю.А. Использование LabVIEW для экспериментальных исследований силового резонансного электропривода возвратно-вращательного движения / Ю.А. Гаврилов, Э.А. Загривный // Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «XXXVII Неделя науки СПбГПУ». - Ч. VIII., СПб.,

СПбГПУ, 2008. С. 168-170.

5. Гаврилов Ю.А. Экспериментальные лабораторные исследования силового резонансного электропривода возвратно-вращательного движения средствами LabVIEW 8.0 // Материалы Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах». - СПб., СПбГПУ, 2008. С. 6-7.

6. Гаврилов Ю.А. Математическая и имитационная модели инерционной резонансной щековой дробилки с электроприводом возвратно-вращательного движения // Записки горного института. - Т. 182, СПб., СПГГИ (ТУ), 2009, С. 69-73.

7. Gavrilov Yu. Elektrischer autoresonanter Antrieb von Pendelvibrationserregern für Vibrationsbackenbrecher / Yu. Gavrilov, E. Zagrivniy // Freiberger forschungshefte. Challenges and Solutions in Mineral Industry, Freiberg, 2009, P. 125-129.

8. Гаврилов Ю.А. Авторезонансный электропривод маятниковых вибровозбудителей вибрационной щековой дробилки / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов // Горное оборудование и электромеханика. - М., Новые технологии, 2009. - №9, С. 50-53.

Патенты:

9. Электромеханический колонковый буровой снаряд. Патент Российской Федерации, №2337225, МПКЕ21В4/04 / Э.А. Загривный,

B.В. Рудаков, С.С. Стародед, Ю.А. Гаврилов // Бюл. №30,27.10.2008.

10. Вибрационная щековая дробилка. Патент Российской Федерации, №2344878, МПКВ02С1/02 / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов,

C.С. Стародед // Бюл. №3,27.01.2009.

11. Электропривод колебательного движения. / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов, С.С. Стародед // Решение о выдаче патента Российской Федерации на изобретение, Заявка № 2009112967, заявл. 06.04.2009.

РИЦ СПГГИ. 24.05.2010. 3.280 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ВИБРАЦИОННЫХ ЩЕКОВЫХ ДРОБИЛОК И ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

1.1. Анализ конструктивных схем вибрационных щековых дробилок.

1.1.1. Инерционные щековые дробилки с одной подвижной щекой.

1.1.2. Вибрационные щековые дробилки с двумя подвижными щеками.

1.1.3. Вибрационные щековые дробилки с тяжелым корпусом и маятником

1.1.4. Вибрационные щековые дробилки с вибратором на корпусе.

1.1.5. Многокамерные вибрационные щековые дробилки.

1.1.6. Вибрационные щековые дробилки с волноводами.

1.2. Известные разработки вибрационных щековых дробилок.

1.2.1. Дробилки ОАО «Механобр-Техника».

1.2.2. Области применения вибрационных щековых дробилок в промышленности.

1.3. Принципы построения электроприводов возвратно-вращательного движения.

1.4. Электропривод вибрационных щековых дробилок.

1.5. Управление колебаниями дробящих щек вибрационной щековой дробилки в зоне резонанса.

1.6. Неуравновешенный ротор в колебательной системе. Эффект Зоммерфельда.

1.7. Представление нагрузки в электромеханических комплексах.

1.8. Особенности устройства, функционирования и основные принципы создания энергосберегающих вибрационных машин.

Выводы к первой главе.

Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ ЩЕКОВОЙ ДРОБИЛКИ С МАЯТНИКОВЫМИ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЯМИ.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Конструктивная схема вибрационной щековой дробилки с электроприводом возвратно-вращательного движения.

2.3. Математическая модель вибрационной щековой дробилки с электроприводом возвратно-вращательного движения.

2.4. Математическая модель нагрузки в вибрационной щековой дробилке с электроприводом возвратно-вращательного движения.

2.5. Методика определения основных динамических параметров вибрационной щековой дробилки с электроприводом возвратно-вращательного движения при представлении нагрузки вязким трением.

2.6. Пример определения основных динамических параметров вибрационной, щековой дробилки с электроприводом возвратно-вращательного движенияпри представлении нагрузки вязким трением.

Выводы ко второй главе.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОРЕЗОНАНСНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

3.1. Основные технические требования к авторезонансному электроприводу возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей вибрационной щековой дробилки.

3.2. Электромагнитный момент электродвигателя с магнитным ротором и трёхфазным статором при возвратно-вращательных движениях.

3.3. Режимы работы авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения.

3.4. Зависимости электромагнитного момента с двумя обмотками возбуждения, одной рабочей обмоткой от угла поворота магнитного ротора

3.5. Зависимости электромагнитного момента с одной обмоткой возбуждения, одной рабочей обмоткой на статоре от угла поворота магнитного ротора.

3.6. Зависимости электромагнитного момента с тремя рабочими обмотками на статоре от угла поворота магнитного ротора.

3.7. Принцип управления авторезонансными колебаниями.

3.8. Схема авторезонансных электроприводов возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей вибрационной щековой дробилки

Выводы к третьей главе.

ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АВТОРЕЗОНАНСНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ ЩЕКОВОЙ ДРОБИЛКИ С МАЯТНИКОВЫМИ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЯМИ.

4.1. Принципы построения имитационной модели в приложении Simulink пакета прикладных программ Matlab.

4.2. Имитационная модель электромеханической системы «ЭПВВД-ВЩД-дробимый материал».

4.3. Возможности имитационной модели вибрационной щековой дробилки с электроприводом возвратно-вращательного движения.

4.4. Результаты имитационного моделирования авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей вибрационной щековой дробилки.

ГЛАВА 5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОРЕЗОНАНСНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

5.1. Экспериментальная установка.

5.2. Электродвигатель.

5.3. Ротор с возбуждением от постоянных магнитов.

5.4. Принципиальная схема лабораторной экспериментальной установки.

5.5. Лабораторный экспериментальный электропривод возвратно-вращательного движения.

5.5.1. Источник тока.

5.5.2. Разомкнутая система управления электроприводом возвратно-вращательного движения.

5.5.3. Исследование разомкнутой системы управления электроприводом возвратно-вращательного движения на лабораторной установке.

5.5.4. Замкнутая система управления ЭПВВД.

5.5.5. Датчик скорости.

5.5.6. Блок управления замкнутой системой управления.

5.5.7. Исследование замкнутой системы управления ЭПВВД на лабораторной установке.

5.6. Экспериментальное определение электромагнитного момента электродвигателя с магнитным ротором и трехфазным статором.

5.6.1. При формировании электромагнитного момента одной обмоткой возбуждения и одной рабочей обмоткой (размах колебаний 60 геом. град.)

5.6.2. При формировании электромагнитного момента двумя обмотками возбуждения и одной рабочей обмоткой (размах колебаний 60 геом. град.)

5.6.3. При формировании электромагнитного момента одной обмоткой возбуждения и двумя рабочими обмотками (размах колебаний 120 геом. град.).

5.6.4. При формировании электромагнитного момента тремя рабочими обмотками (размах колебаний 180 геом. град.).

5.7. Характеристики элементов, приборов и устройств при проведении исследований.

5.7.1. Упругий элемент — торсион.

5.7.2. Датчик тока.

5.7.3. Датчик напряжения.

5.7.4. Плата сбора данных.

5.7.5. Виртуальный прибор в среде графического программирования

LabVIEW.

5.7.6. Компаратор.

5.7.7. Источники питания системы управления и датчиков.

5.7.8. Генератор сигналов.

5.7.9. Регулятор напряжения трехфазный.

5.7.10. Дроссель постоянного тока.

Выводы к пятой главе.

Вибрационные щековые дробилки (ВЩД) предназначены для дробления руд и нерудных материалов, переработки изделий с большим отношением длины к толщине, получения продуктов с низким содержанием мелких классов. Эти дробилки получили применение в горно-обогатительной, металлургической, химической, строительной промышленности и в других областях народного хозяйства.

Достоинствами ВЩЦ являются высокая степень дробления, низкая удельная энерго- и металлоемкость, ускоренное прохождение материала через камеру дробления, динамическая уравновешенность системы и способность пропускать недробимые тела. Эти дробилки способны работать в условиях перегрузок, их можно останавливать и пускать с полностью загруженной рабочей камерой. В ВЩД возможно использование явления резонанса для разрушения материала.

В России ВЩД разрабатываются в ОАО «Механобр-Техника», Институте горного дела имени А. А. Скочинского и др., за рубежом работы по созданию ВЩД проводились в ФРГ (Siebtechnik), Швеции (Svedala), Польше (Горная академия г. Кракова), США и т.д.

Традиционные ВЩД оснащаются электромеханическими вибровозбудителями, выполненными на основе самосинхронизирующихся несбалансированных роторов с электроприводом переменного тока. ВЩД работают в неэффективной с точки зрения энергетических затрат зарезонансной зоне, а работа на резонансной частоте электромеханической системы невозможна из-за проявления эффекта Зоммерфельда. Поэтому установленная мощность электродвигателей оказывается завышенной в 2-5 раз, что обуславливает неудовлетворительную энергетику приводов.

Использование авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения (ЭПВВД) для привода маятниковых вибровозбудителей ВЩД позволит создать вибрационную дробилку, лишенную указанных недостатков и способную работать на резонансной частоте электромеханической системы. Синхронно-противофазный режим колебаний дробящих щек обеспечивается за счет принудительной электрической синхронизации электроприводов при питании от одного источника.

Одним из актуальных вопросов при создании ВЩД с авторезонансным электроприводом маятниковых вибровозбудителей возвратно-вращательного движения является обоснование режимов работы ВЩД, решению которого и посвящена настоящая работа.

В работе исследовался нетрадиционный ЭПВВД с использованием электромеханического преобразователя, состоящего из трехфазного статора асинхронного электродвигателя и ротора с возбуждением от постоянных магнитов (магнитный ротор) - далее ЭДМР.

Цель работы заключается в повышение эффективности работы ВЩД за счет реализации авторезонансного режима работы ЭПВВД вибрационной щековой дробилки с маятниковыми вибровозбудителями.

Идея работы в том, что с целью обеспечения работы в резонансных режимах в вибрационных щековых дробилках следует применять маятниковые вибровозбудители с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения с заданным размахом колебаний.

Научная новизна исследований вибрационной щековой дробилки с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей, защищенной патентами РФ, заключается в том, что впервые:

1. Получены зависимости электромагнитного момента электродвигателя с магнитным ротором и трехфазным статором от угла поворота ротора относительно статора с размахом колебаний ротора 60, 120 и 180 электрических градусов в зависимости от схем соединения обмоток статора, которые позволяют выбирать трехфазные статоры для авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей.

2. Установлена зависимость параметров маятникового вибровозбудителя от заданных значений передаваемой дробящей щеке мощности, резонансной частоты и соотношений амплитуд колебаний маятникового вибровозбудителя и дробящей щеки.

3. Обоснован способ определения работы, выполняемой внешней и дисси-пативными силами в виде линейно-нарастающей, вязкого и сухого трений при несимметричном режиме на рабочем ходе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Связанные колебательные системы с равными парциальными частотами и сильной инерциальной связью электромеханическая с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения маятникового вибровозбудителя и механическая с дробящей щекой, образующие вибрационную щековую дробилку, делают возможной стабильную работу в резонансной зоне с расчетными нагрузками, при этом требуемая амплитуда вынужденных резонансных колебаний дробящей щеки в номинальном режиме обеспечивается заданием распределения амплитуд дробящей щеки и маятникового вибровозбудителя.

2. Размах колебаний маятникового вибровозбудителя может принимать значения 60, 120 и 180 электрических градусов в зависимости от схемы соединения обмоток электродвигателя с трехфазным статором и магнитным ротором, которым укомплектован электропривод маятникового вибровозбудителя, а авторезонансный режим электропривода маятникового вибровозбудителя должен реализоваться путем изменения знака электромагнитного момента при скорости колебаний ротора равной нулю.

Работа базируется на результатах исследований Аристова А.В., Асташе-ва В.К., Блехмана И.И., Вайсберга JI.A., Гончаревича И.Ф., Епишкина А.Е., Загрив-ногоЭ.А., Зарогатского Л.П., Кононенко В.О., ЛуковниковаВ.И., Мандельштама Л.И., Нагаева Р.Ф., РевнивцеваВ.И., Тимошенко С.П., ТуркинаВЛ., Усольце-ва А.А., Усынина Ю.С., Шестакова В.М. и многих др.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электротехники и Электромеханики» Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

Автор выражает искреннюю глубокую благодарность заведующему кафедрой «Э и ЭМ» СПГГИ (ТУ) доктору технических наук, профессору Козяру-ку А.Е., научному руководителю д.т.н., проф. Загривному Э.А., к.т.н., доц. Емельянову А.П., к.т.н., асс. Соловьеву В.А., инж. Мельниковой Е.Е., аспиранту Фоменко А.Н. и всем сотрудникам кафедры за помощь в подготовке диссертационной работы.

Выводы к пятой главе

В ходе выполнения лабораторных экспериментальных исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Разработана техническая документация и смонтированы экспериментальная лабораторная установка и физический макет для исследования электропривода возвратно-вращательного движения маятниковых вибровозбудителей вибрационной щековой дробилки.

2. Разработана техническая документация и изготовлен ротор с возбуждением от постоянных магнитов Nd-Fe-B (магнитный ротор, ООО «Экомаг», г. Владимир, Московская обл.) для макетного электродвигателя с трехфазным статором асинхронного двигателя типоразмера АИР10082УЗ мощностью 4кВт.

3. Экспериментально подтверждена работоспособность авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения на основе электродвигателя с магнитным ротором и трёхфазным статором с размахом 60, 120 и 180 геометрических градусов при одной паре полюсов и в зависимости от схемы соединения обмоток статора электродвигателя.

4. Для используемого магнитного ротора экспериментально определена относительная индукция в воздушном зазоре 8=(1±0,1)мм не менее В =ВМ/Вн = 0,76 (Вн индукция в воздушном зазоре АД).

5. По ряду причин (простота реализации, наличность элементов, надёжность коммутации, малое время переходных электромагнитных процессов) для исследований принят источник тока с параметрической стабилизацией тока дросселем постоянного тока.

6. Для реализации принятого способа управления авторезонансными колебаниями ротора разработана рабочая документация и изготовлен бесконтактный датчик скорости, обеспечивающий надежное определение положение ротора при возвратно-вращательном движении в точке скорости колебаний равной нулю.

7. Для коммутации токов в рабочих обмотках принят источник тока с «отсекающими» диодами, обеспечивающих переключение токов без образования колебательного контура «коммутирующая ёмкость Ск — рабочая обмотка».

8. В системе управления авторезонансными колебаниями (замкнутой системе управления) для формирования управляющего сигнала в моменты времени, когда скорость колебаний равна нулю, использован компаратор, на вход которого подключена обмотка датчика скорости.

9. Момент сопротивления на валу исследуемого электродвигателя представлен моментом сопротивления двигателя постоянного тока (в виде вязкого трения).

10. Впервые экспериментально получены зависимости электромагнитного момента рассматриваемого электродвигателя от угла поворота ротора, схем соединения обмоток статора и способа питания рабочих обмоток и обмоток возбуждения, при этом определены максимальные Ммлх и пусковые Мп значения электромагнитных моментов на каждом полупериоде, относительные максимальные и пусковые электромагнитные моменты.

11. Полученный результат определения максимального Мшх и пускового Мп электромагнитных моментов можно считать результатом первого приближения и при выборе статора электродвигателя для режима авторезонансных колебаний возвратно-вращательного движения принимать максимальный электромагнитный момент ММлх и пусковой электромагнитный момент Мп не менее номинального момента асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

12. Проведенные исследования авторезонансных режимов подтверждают полученный результат имитационного моделирования процессов с рассматриваемым нетрадиционным электроприводом. Практически подтверждена эффективность тормозных режимов, обеспечивающих в электромеханической системе при работе на холостом ходе амплитуду, не превышающую теоретическое значение (30, 60 или 90 геометрических градусов).

13. Разработанный авторезонансный электропривод возвратно-вращательного движения может найти применение как в горной промышленности (вибрационные щековые дробилки, виброгрохоты, вибромельницы, динамически уравновешенные буровые снаряды), так и в других отраслях.

14. Дальнейшие работы по совершенствованию электропривода возвратно-вращательного движения следует направить на разработку источников питания, систем стабилизации заданной амплитуды колебаний и определения рациональной формы тока рабочих обмоток.

153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Электродвигатель с трехфазным статором АД и магнитным ротором (ЭДМР) при питании от однофазного автономного инвертора тока и реверсировании электромагнитного момента в точках <р'=0, синфазно с (р' в электромеханической колебательной системе обеспечивает авторезонансные возвратно-вращательные колебания ротора в зависимости от схем соединения обмоток статора ЭДМР с размахом 60/р, 120/р и 180/р геометрических градусов (р-число пар полюсов).

2. Разработанный и изготовленный магнитный ротор с одной парой полюсов (ООО «Экомаг», г. Владимир) на основе постоянных магнитов Nd-Fe-B создает в воздушном зазоре 5=(1±0,1) мм относительную индукцию не менее В =ВМ/Вн = 0,76 (Вн индукция в воздушном зазоре АД).

3. Максимальный электромагнитный момент исследуемого ЭДМР не ниже номинального электромагнитного момента асинхронного электродвигателя, статор которого использован в ЭДМР.

4. Пусковой упругий момент в ЭПВВД на каждом полупериоде колебаний М = с • Ар = Я2 • Ар существенно больше электромагнитного момента

ЭДМР (в исследуемой ВЩД: Му /Мd « 50), что позволяет в системах с несимметричной нагрузкой использовать режим с включением электродвигателя только на рабочем ходе (РХ).

5. При несимметричных режимах работы ВЩД появляется возможность полнее использовать энергетические возможности двигателя, увеличивая ток РХ на 20-30% при сохранении его номинального действующего значения и применять пульсирующие однонаправленные токи, что упрощает источники питания.

6. Разработанный и изготовленный бесконтактный датчик положения и скорости с кольцевой обмоткой и магнитным ротором позволяет реализовать систему управления авторезонансным режимом колебаний ротора ЭДМР.

7. В исследуваемой ВЩД с двумя связанными колебательными системами с равными парциальными частотами и авторезонансным ЭПВВД с принятым размахом колебаний маятникового вибровозбудителя амплитуда вынужденных резонансных колебаний дробящей щеки определяется заданными значениями работы за период W, амплитудой колебаний маятникового вибровозбудителя Av и резонансной частотой Я.

8. Значение d = т-а при заданных X, W, Ах и А определяются выражением d = ju- Ах/к-Я- А^ и позволяет определить конструктивные параметры маятникового вибровоздудителя.

9. Исследуваемая ВЩД обладает замечательным свойством систем с двумя степенями свободы: при снижении нагрузки от номинальной до XX уменьшает амплитуду колебаний маятникового вибровозбудителя при сохранении амплитуды колебаний дробящей щеки (эффект динамического гасителя колебаний).

10. Имитационная модель ВЩД с авторезонансным ЭПВВД позволяет исследовать симметричные и несимметричные режимы работы при различных видах нагрузки (вязкое и сухое трение, линейно-нарастающая и их комбинации) с вычислением работ за период диссипативных и внешних сил.

11. Исследование авторезонансных режимов при условии равенства работ за период при различных видах нагрузок показали: амплитуды колебаний маятникового вибровозбудителя и дробящей щеки имеют равные значения, а форма колебаний остаются практически синусодальной.

12. Расстройка парциальных частот в диапазоне до 10% от резонансной частоты приводит к пропорциональному уменьшению работы диссипативной силы и снижению размаха колебаний дробящей щеки не более 10% от заданного.

13. Разработанный авторезонансный электропривод возвратно-вращательного движения может найти применение при создании других вибрационных машин (виброгрохоты, вибромельницы, вибротранспорт и др.).

1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7 / Под ред. Бу-тырина П.А. М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.

2. А.с. № 1417259 СССР. Электропривод колебательного движения // В.И. Луковников, В.В. Тодарев, С.А. Грачев. Опубл. в БИ, 1988, №30.

3. А.с. № 1632689 СССР. Способ управления колебательным электроприводом с асинхронным двигателем // В.И. Луковников, В.В. Тодарев, М.Н. Погуляев. Опубл. в БИ, 1991, №8.

4. А.с. № 1715835 СССР. Электропривод колебательного движения //

5. A.В. Аристов, И.Л. Плодистый, А.А. Тимофеев, Д.Ю. Щербенко. Опубл. в БИ, 1992, №42.

6. Патент Респ. Беларусь №4959. Автоколебательный электропривод. //

7. B.И. Луковников, В.В. Тодарев, Л.В. Веппер. 30.03.2003.

8. Патент РФ № 2006173. Колебательный электропривод // А.И. Копейкин, А.С. Грибакин. Опубл. в БИ, 1994, №1.

9. Патент РФ № 2025890. Способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний // А.И. Копейкин, С.И. Малафеев. Опубл. в БИ, 1994, №24.

10. Патент РФ № 2050687. Электропривод колебательного движения // А.И. Копейкин, С.И. Малафеев. Опубл. в БИ, 1995, №35.

11. Аипов Р.С. Линейный электропривод колебательного движения. Уфа, 1994.-76 с.

12. Алифов А.А., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источником энергии. — М.: Наука, 1985.

13. Антипов В.И., Асташев В.К. О принципах создания энергосберегающих вибрационных машин. М.: Вестник научно-технического развития ВНТР, №1, 2008.

14. Аристов А.В. Рабочие характеристики электропривода колебательного движения с машиной двойного питания // Известия Томского политехнического университета, Т. 306, №3 ИПФ ТПУ, Томск, 2003.

15. Аристов А.В. Электропривод колебательного движения с машиной двойного питания. -Томск: ИПФ ТПУ, 2000. -176 с.

16. Архипов М.Н., Нагаев Р.Ф. Динамика вибрационной щековой дробилки с двумя рабочими полостями // Вибрационные машины и технологии. Сб. научных трудов. Курск, 1993.

17. Асташев В.К. Система возбуждения авторезонансных вибротехнических устройств. -М.: Вестник научно-технического развития ВНТР, №1, 2007.

18. Асташев В.К., Бабицкий В.И. Возбуждение и стабилизация резонансных колебаний ультразвуковых стержневых систем // Акустический журнал. 1976. Т. 22. №2.

19. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Вульфсон И.И. и др. Динамика машин и управление машинами: Справочник / Под ред. Г.В. Крейнина. М.: Машиностроение, 1988. 239 с.

20. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Соколов И .Я. Авторезонансное вибровозбуждение синхронным двигателем // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1990. №4.

21. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Физматлит, 1994. - 400 с.

22. Блехман И.И. Самосинхронизация динамических систем. М.: Наука, 1971.-894 с.

23. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаева В.В., Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7.-М.: ДМК Пресс, 2000, 264 с.

24. Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П. Новое поколение щековых и конусных дробилок // Строительные и дорожные машины. ООО «СДМ-Пресс». М., 2000. №7.

25. Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П., Туркин В.Я. Вибрационные дробилки. Основы расчета, проектирования и технологического применения / Ред. Л.А. Вайсберг. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ. 2004. 306 с.

26. Воробьёв В.Е. Основы электромеханики: Письменные лекции. СПб.: СЗТУ, 2003.

27. Гаврилов Ю.А. Математическая и имитационная модели инерционной резонансной щековой дробилки с электроприводом возвратно-вращательного движения // Записки горного института. Т.182, СПб., СПГГИ (ТУ), 2009, С. 69-73.

28. Гаврилов Ю.А. Авторезонансный электропривод маятниковых вибровозбудителей вибрационной щековой дробилки / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов // Горное оборудование и электромеханика. М., Новые технологии, 2009. - №9, С. 50-53.

29. Гаврилов Ю.А. Электромеханический колонковый буровой снаряд. Патент Российской Федерации, № 2337225, МПК Е21В 4/04 / Э.А. Загривный,

30. B.В. Рудаков, С.С. Стародед, Ю.А. Гаврилов // Бюл. №30, 27.10.2008.

31. Гаврилов Ю.А. Вибрационная щековая дробилка. Патент Российской Федерации, № 2344878, МПК В02С 1/02 / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов,

32. C.С. Стародед //Бюл. №3, 27.01.2009.

33. Гаврилов Ю.А. Электропривод колебательного движения. / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов, С.С. Стародед // Решение о выдаче патента Российской Федерации на изобретение, Заявка № 2009112967, заявл. 06.04.2009.

34. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. Учебное пособие. СПб.: КОРОНАпринт, 2001.

35. Гончаревич И.Ф., Штурм К. Резонансные режимы машин и технологических процессов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2004. №7.

36. Дегтярева Е.Л., Потапов Л.А. «Исследование механических характеристик электрических машин с массивным ферромагнитным ротором». Известия ВУЗ № 2-3, 1998.

37. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. Lab VIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде Lab VIEW. М.: ДМК Пресс, 2007. -400 с.

38. Епишкин А.Е., Шестаков В.М. Управление параметрами колебаний автоматизированных вибрационных установок // XXX Юбилейная неделя науки СПбГТУ. 4.VII: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002.

39. Ионов Ю.К. Исследование параметров резонансной щековой дробилки. // Обогащение полезных ископаемых. Киев. Наука. 1981.

40. Карлов Б., Есин Е. Современные преобразователи частоты: методы управления и аппаратная реализация. М.: Силовая электроника, 2004. №1.

41. Ковчин С.А., Мубеези-Магоола Э. Математические модели исполнительных механизмов с сухим и вязким трением // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. Вып.22. — СПб.: СЗТУ, 2001.

42. Колпаков А.И. Перспективы развития электропривода. М.: Силовая электроника. №1. 2004.

43. Кононенко В.О. Колебательные системы с ограниченным возбуждением. М.: Изд-во: Наука. 1964. 256 с.

44. Копейкин А.И. Модели колебательного электропривода с активным ротором // Автоматизированные информационные системы контроля и управления в технике и медицине. Владимир, ВлГУ, 1996.

45. Копейкин А.И., Галас В.П. Резонансные электроприводы периодического движения — Пенза , 1998.

46. Копейкин А.И., Малафеев С.И. Управляемые электромеханические колебательные системы. Владимир: Посад, 2001. - 128 с.

47. Копейкин А.И., Малафеев С.И., Лыков А.Ю. Синхронный колебательный электропривод М. Информтехника, 1993.

48. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973.

49. Косенко И.А. Сравнение частотно-токового и частотно-напряженческого способов релейно-векторного управления асинхроннымиэлектроприводами с автономным инвертором тока // Электротехника и электроэнергетика, №1 -ЗНТУ, Запорожье, 2008.

50. Лавров Б.П., Шестаков В.М., Томчина О.П. и др. Динамика электромеханических систем вибрационных установок // Электричество. 2001. № 1.

51. Ланда П.С. Автоколебания в системе с конечным числом степеней свободы. М.: Наука, 1980.

52. Леонтьев А.Г., Пинчук В.М., Семёнов И.М. Электромеханические системы. СПб.: СПбГТУ, 1997.

53. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. 4.1 и II. -М.: Физматгиз, 1954.

54. Луковников В.И. О статье КадееваГ.Д. «Момент трехфазного асинхронного двигателя и теория качающегося магнитного поля», Изв. ВУЗов, Электромеханика, №7, 1982.

55. Луковников В.И. «Рабочие характеристики обобщенного колебательного электродвигателя»., Электричество, №5, 1979.

56. Луковников В.И. Электромашинный безредукторный колебательный электропривод // Электротехническая промышленность. Электропривод, 1980. Вып. 8.

57. Луковников В.И. «Электропривод колебательного движения», М. Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

58. Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний М.: Наука, 1972.471 с.

59. Мартынов Б.А. Теория колебаний. Математические модели динамических систем: Учебное пособие. СПб.: Издательство СПбГПУ, 2002.

60. Мещеряков В.М., Рысляев Р.С., Зотов В.А. Формирование электромагнитного момента асинхронного двигателя в частотном электроприводе. Электротехнические комплексы и системы управления. 2006. №1.

61. Николаи Е.Л. Теоретическая механика. М.: Физматгиз, 1952.

62. Петров И.И., Мейстель A.M. Специальные режимы работы асинхронного электропривода. М.: Энергия, 1968. 264 с.

63. Попов А.Н., Колесников А.А. Синергетический синтез электромеханических осцилляторов // Труды второй Всероссийской научно-практической конференции "Системы управления электромеханическими объектами". Тула: ТулГУ. 2007.

64. Ревнивцев В.И., Денисов Г.А., Зарогатский Л.П., Туркин В.Я. Вибрационная дезинтеграция твердых материалов. — М.: Недра, 1992. 430 с.

65. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М: Энергоатомиздат,1992.

66. Сили С. Электромеханическое преобразование энергии. М., 1968.

67. Стародед С.С. Авторезонансный электропривод возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.03 Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2009, 20 с.

68. Суранов А.Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2005.-512 с.

69. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. / Пер. с англ. Л.Г. Корнейчука; Под. ред. Э.И. Григолюка. М: Машиностроение, 1985.

70. Туркин В.Я. Сравнительные испытания ударно-вибрационной щековой дробилки // Обогащение руд. 1971. №3.

71. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. — М.: Энергия, 1964.

72. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями: Учебное пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006.

73. Усынин Ю.С. Системы управления электроприводом. Челябинск.: Издательство ЮУрГУ, 2004.

74. Фащиленко В.Н., ХапаевТ^ГБ. Резонансный режим электромеханической системы. Динамика электроприводов в резонансном режиме / Статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. Изд-во: МГГУ, 2003, №8.

75. Чижечко И.М. Справочник по преобразовательной технике. Теника,1978.

76. Шестаков В.М., Епишкин А.Е. Динамика автоматизированных электромеханических систем вибрационных установок / Под общ. ред. проф. В.М. Шестакова. СПб.: Изд-во СПГПУ, 2005. 94 с.

77. Шестаков В.М., Епишкин А.Е., Шаряков В.А. Принципы построения экономичных систем электропривода для высокопроизводительных вибрационных установок // Привод и управление. 2003, №3.

78. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. Ч. I. М.: Высшая школа, 1971.

79. Яблонский А.А., Норейко С.С. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1966.

80. Ярошевич Т. С., Швабюк В. И., Ярошевич Н. П. Взаимодействие де-балансного вибровозбудителя с колебательной системой с несколькими степенями свободы. Вибрация в технике, №3, 2009.

81. Gavrilov Yu. Increasing of the productivity of the vibrational jaw crusher based on resonant mode of its work // Materialy XLVIII Sesji Pionu Gorniczego, Krakow, 2007, P. 212.

82. Gavrilov Yu. Elektrischer autoresonanter Antrieb von Pendelvibrationserre-gern fur Vibrationsbackenbrecher / Yu. Gavrilov, E. Zagrivniy // Freiberger for-schungshefte. Challenges and Solutions in Mineral Industry, Freiberg, 2009, P. 125129.