автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка, исследование и оптимизация взаимосвязанных электромеханических систем многороторных вибрационных установок

На правах рукописи

Нации Георгий Вадимович

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МНОГОРОТОРНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 МАЙ 2013 005059984

Санкт-Петербург — 2013

005059984

Работа выполнена в институте машиностроения Санкт-Петербургского государственного политехнического университета на кафедре Автоматизации технологических процессов и производств

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Шестаков Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Поляхов Николай Дмитриевич, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. Ульянова (Ленина),

кафедра "Систем автоматического управления"

кандидат технических наук, доцент Резниченко Виктор Васильевич, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра "Автоматики и электротехники".

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

технологический университет растительных полимеров (СПбГТУРП)

Защита состоится »^2013 г. в ^"часов на заседании диссертационного совета Д212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Автореферат разослан ^ 2013 г.

Ученый секретарь ^ґ^^/

диссертационного совета г^/п/ / М. П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Примерами использования вибрационных установок являются грохоты для горнорудной промышленности, машины для вибрационного погружения и выдергивания свай, шпунта и труб, вибрационные дорожные и строительные машины для трамбования грунта и формирования железобетонных изделий, машины для изготовления литейных форм и выбивки опок, многочисленные вибрационные устройства для транспортирования насыпных грузов и штучных изделий, вибрационные насосы для перекачки жидкостей. В машиностроении такие устройства применяются для виброшлифования, виброгалтовки, перемешивания металлических расплавов, виброобкатки, рубки и обработки ударами; в сельском хозяйстве - для вибросортировки, вибротранспортирования, встряхивания; в пищевой промышленности - для расфасовки, упаковки и сушки; в текстильной промышленности - для прокидки челноков и раскладки нитей при намотке; в медицине - системах искусственного кровообращения; в оптической механике и радиолокации - для создания различных траекторий сканирования и так далее. Электромеханические системы колебательного движения также имеют широкое применение в испытательных, измерительных и калибровочных вибростендах. В то же время общий принцип работы позволяет рассматривать их как единый тип устройств. Значительная часть вибрационных установок оснащена электромеханическими вибровозбудителями, выполненными на основе несбалансированных роторов (дебалансов), приводимых во вращение электроприводом. В настоящее время работа большинства виброустановок базируется на использовании морально устаревших электроприводов и неэффективных алгоритмов управления, осуществляющих выдачу сигнала на запуск и поддержание скорости дебалансов на заданном уровне, как правило, в зарезонансной зоне. При этом виброустановки имеют низкое качество регулирования режимов работы, что в большинстве случаев снижает эффективность их функционирования. Электродвигатели для привода дебалансов выбираются на мощность, необходимую для обеспечения прямого пуска, и в установившемся режиме работают с существенной недогрузкой, что обуславливает неудовлетворительную энергетику приводов.

Некоторые из задач решались в работах, проведенных Н. X. Базаровым, учеными Санкт-Петербургского политехнического университета А. С. Кельзоном, Л. М. Малининым, А. А. Первозванским, работах профессоров ИПМаш РАН И. И. Блехманом, А. Л. Фрадковым, Санкт-Петербургского института машиностроения В. М. Шестаковым, О. П. Томчиной, А. Е. Епишкиным, а также в работах ряда зарубежных авторов. Кроме того, необходимо отметить труды в областях, близких к исследуемой: это системы с упругими связями и следящие системы. Здесь большая роль принадлежит таким ученым, как Ю. А. Борцов, В. Л. Вейц, С. А. Ковчин, А. Е. Козярук, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов, О. А. Соколов, Г. Г. Соколовский.

Однако существующие разработки не охватывают все аспекты проблемы и посвящены, главным образом, квазиустановившимся режимам работы однороторных виброустановок. В литературе практически отсутствуют сведения о синтезированных системах, обеспечивающих управляемые и стабилизированные процессы, в особенности для многороторных установок.

Одним из путей повышения качества работы электромеханических систем (ЭМС) вибрационных установок (ВУ) является разработка новых многороторных структур с индивидуальными электроприводами, расширяющих спектр возможностей по управлению пространственными колебаниями виброплатформы.

В работе рассмотрен комплекс вопросов построения и функционирования двух-, трех- и шестироторных ВУ с исследованием квазиустановившихся и динамических режимов работы взаимосвязанных электромеханических систем.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект № 2.1-589), направленной на координацию академической (ИПМаш РАН) и вузовской науки (СПбГЭТУ, СПбИМаш, СПбГБТУ).

Цель диссертационной работы заключается в разработке, исследовании и оптимизации взаимосвязанных ЭМС, обеспечивающих рациональное функционирование прецизионных многороторных виброустановок в квазиустановившихся и динамических режимах, определение общих принципов их построения и унифицированных способов оптимизации динамики САУ.

Задачи исследований:

1. Разработка эквивалентных математических и структурных имитационных моделей электромеханических объектов двух-, трех- и шестироторных прецизионных ВУ;

2. Разработка, построение и оптимизация систем автоматического управления многодвигательными электроприводами ВУ;

3. Построение математических и имитационных моделей ЭМС двух- и трехроторных ВУ с наклонной виброплатформой с учетом перемещения продукта (груза);

4. Проведение многофакторных компьютерных имитационных исследований динамики ЭМС многороторных прецизионных ВУ с генерацией регулируемых плоскостных и пространственных колебаний платформы в заданном множестве режимов функционирования;

5. Создание научно-обоснованных подходов к проектированию ЭМС прецизионных многороторных установок.

Методы исследований. Для получения достоверных и обоснованных научных результатов были применены современные апробированные расчетно-аналитические и машинные методы. Исследование предложенных решений и рекомендаций проводилось путем имитационного моделирования в среде БшшИпк пакета МАТЬАВ.

Выносимые на защиту результаты:

1. Эквивалентные математические и структурные имитационные модели электромеханических объектов двух-, трех- и шестироторных ВУ;

2. Способы построения и оптимизации систем автоматического управления многодвигательными электроприводами установок;

3. Математические и имитационные модели ЭМС двух- и трехроторных ВУ с наклонной виброплатформой с учетом перемещения продукта (груза);

4. Многофакторные компьютерные имитационные исследования динамики ЭМС многороторных ВУ в заданном множестве режимов работы с генерацией регулируемых плоскостных и пространственных колебаний платформы;

5. Научно-обоснованные рекомендации по проектированию ЭМС многороторных установок.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту:

1. Показано, что применение многороторных механизмов с индивидуальными электроприводами и унифицированных систем автоматического регулирования дает возможность значительно расширить область рабочих режимов ВУ и обеспечить управляемые колебания исполнительных органов по заданным координатам;

2. Создано необходимое множество структурных имитационных моделей ЭМС на основе сформированных математических модулей механической и электрической частей агрегатов;

3. Предложены рациональные способы иерархического построения и оптимизации многосвязных САУ для 2-х, 3-х и 6-ти роторных установок;

4. Разработаны математические модели ЭМС 2-х и 3-х роторных ВУ с поворотной виброплатформой и исследованы режимы перемещения груза при вариации механико-технологических параметров объекта;

5. Выполнены многофакторные компьютерные исследования оптимизированных ЭМС, подтвердившие адекватность разработанных моделей и высокое качество функционирования агрегатов в квазиустановившихся и динамических режимах.

Достоверность и обоснованность результатов достигнута применением адекватных математических моделей ЭМС, использованием совокупности апробированных расчетно-аналитических и компьютерных методов исследования динамики, а также тщательным анализом и сопоставлением полученных характеристик систем.

Практическая ценность работы обуславливается применением разработанных рекомендаций при проектировании нового класса высококачественных агрегатов в следующих отраслях:

• высокопроизводительные ВУ для строительной и горно-металлургической промышленности;

• автоматизированные ВУ для машиностроения;

• испытательные вибростенды для контроля качества изделий на площадках и

полигонах;

• прецизионные вибростенды для приборостроения;

В данной работе научно обоснованы принципы построения и способы оптимизации ЭМС многороторных установок, обеспечивающих широкий спектр управляемых пространственных колебаний исполнительных органов.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы на предприятиях-изготовителях ротационных виброустановок (завод «Красный маяк», г. Ярославль), в научно-исследовательских институтах (ИПМаш РАН, г. Санкт-Петербург) и отраслевых проектно-конструкторских организациях (ОАО «Механобр-техника», г. Санкт-Петербург). Кроме того, применение материалов диссертации в учебном процессе по курсам «Теория автоматического управления», «Автоматизированный электропривод», «Автоматизация технологических процессов и производств», а также при дипломном проектировании позволяет повысить качество учебного процесса и подготовки инженеров по специальности 1406.04 - «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 2203.01 — Автоматизация технологических процессов и производств» и др.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ» (XXXVII, XXXVIII, XXXIX и XL) в секции «Системы автоматического управления электромеханическими объектами и электротехническими комплексами», на международной научно-технической интернет-конференции Пермского Государственного Технического Университета, а также на научно-технических семинарах кафедры АТПиП ПИМаш.

Публикации по теме работы. По работе имеется 9 печатных работ, 2 из которых опубликованы в ведущих изданиях из списка ВАК, 2 в рецензируемых изданиях и 5 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав с выводами и заключения, изложена на 150 машинописных страницах, включает 86 рисунков и содержит список литературы из 107 наименований, включая отечественных и зарубежных авторов, а также ссылок на интернет-ресурсы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, выделены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке адекватного математического описания и формированию структурных динамических и имитационных моделей ЭМС двухроторных виброустановок, способов оптимизации САУ, произведено имитационное исследование ВУ с поворотными осями дебалансов, обеспечивающих пространственные колебания платформы.

Определены рациональные области применения в ВУ ЭП постоянного и переменного тока, показано, что применение ДПТ в приводах ВУ целесообразно рекомендовать в многороторных прецизионных системах с фазовым регулированием координат для процессов вибрационной диагностики и в вибрационных дозаторах с мощностями до 1 кВт. Вместе с тем для промышленных виброустановок в диапазоне мощностей до 10 кВт можно рекомендовать использование ВД, которые, как и машины постоянного тока, имеют большую перегрузочную способность по моменту и широкий диапазон изменения частоты вращения, но являются бесконтактными. При мощностях виброустановок свыше 10 кВт, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (горно-металлургическое производство и др.) рациональным представляется применение асинхронных частотноуправляемых электроприводов.

В диссертационной работе исследуются взаимосвязанные системы электропривода для многороторных ВУ с прецизионным регулированием углов рассогласования между роторами, генерирующие широкий спектр управляемых плоскостных и пространственных колебаний рабочего органа (виброплатформы). В силу того, что механические характеристики и передаточные функции ВД, при равенстве нулю проекции вектора тока статора на ось (1 вращающейся системы координат (ось магнитного потока ротора) будут фактически соответствовать характеристикам ДПТ независимого возбуждения, правомерно строить унифицированные математические модели ЭМС агрегатов рассматриваемого класса.

Следует отметить, что поскольку динамика ЭМС описывается нелинейными уравнениями, то возникает проблема применения линейных методов анализа и синтеза систем. Вместе с тем рассмотрение квазистационарных режимов работы агрегатов позволяет с определенной степенью точности линеаризовать указанные уравнения «в малом» и применить линейные методы для нахождения передаточных функций систем и определения в первом приближении структуры и параметров регуляторов.

На основе разработанного математического описания в пакете МаЙаЬ БтиПпк создана структурная имитационная модель ЭМС двухроторной виброустановки для исследования плоскостных и пространственных колебаний платформы. С использованием данной модели произведено исследование СЭП двухроторной вибрационной установки, в том числе со стабилизацией пространственных колебаний платформы при помощи средств коррекции для различных углов наклона осей дебалансов (рисунок 1).

Без введения средств коррекции получены следующие результаты:

1. При увеличении углов наклона осей роторов вертикальные перемещения платформы уменьшаются с максимального до нулевого

значения. Угловые колебания платформы ведут себя более сложным образом. При одинаковых значениях углов наклона осей роторов (0°,45°,90°) угловые колебания платформы отсутствуют. При различии углов наклона наблюдаются угловые колебания платформы, причем они достигают максимального значения при максимальной разнице между углами (А« = 90").

2. Управление угловым рассогласованием роторов при вариации углов наклона осей дебалансов обеспечивает широкий спектр плоскостных и пространственных колебаний платформы, что важно для реализации требуемых режимов функционирования виброустановок различного назначения.

Рисунок 1 - Имитационная модель взаимосвязанной ЭМС двухроторной вибрационной установки с введением средств коррекции

Разработанная концепция построения СЭП со стабилизацией параметров колебаний платформы при вариации массы груза состоит во введении наложенного вибрационного управления в контур скорости ведущего привода (САРС) и контур положения ведомого ЭП (САРП). Синтезированы структуры и параметры регуляторов линейных и угловых колебаний платформы, выполнено имитационное исследование работы взаимосвязанных систем, подтверждающее высокое качество функционирования ЭМС виброустановки в условиях вариации параметров объекта.

На рисунке 2 показана функциональная схема предлагаемой СЭП, где введены обозначения: ЗС - задатчик скорости приводных электродвигателей; ЗЛК - задатчик линейных колебаний; ДЛК - датчик линейных колебаний; РЛК -регулятор линейных колебаний; БВМ - блок выделения модуля; ЗУК - задатчик

угловых колебаний; ДУК - датчик угловых колебаний; РУК - регулятор угловых колебаний.

На функциональной схеме контуры скорости представлены в виде замкнутых контуров (ЗКС) каждого ЭП.

зс —»О

ЗКС сэп

1-го дебаланса

ФД

ЗКС сэп

2-го дебаланса

- ию

злк

БВМ ДУК

«

-

БВМ длк Уп

Просіранств енная математическая модель механической части вибрационной установки

Рисунок 2 - Регулирующая часть СЭП для управления и стабилизации вертикальных и угловых колебаний платформы при вариации массы продукта

Кроме того, на основе разработанного математического описания создана структурная имитационная модель для исследования ЭМС двухроторной вибрационной установки с учетом движения груза по наклонной платформе на основе кинематической схемы рисунок 3,а.

На рисунке введены обозначения: Г - груз; П - платформа; mr - масса груза; VT - линейная скорость перемещения груза; аг - линейное ускорение груза; ST — перемещение груза; ап - угол наклона платформы; Fr - сила тяжести груза; F£1 — боковое усилие от силы FT ; Fy = Fiy + Fly - вынуждающая сила дебалансных роторов на ось Y; FB - реакция опоры, действующая на груз со стороны платформы; FE2 - боковое усилие от силы FB ; F„ - сила нормального давления груза; FTp - сила трения; g = 9,8м/с2 - ускорение свободного падения; /и - коэффициент трения, который для большинства пар материалов находится в диапазоне 0,1 — 0,5.

На основании уравнений можно построить структуру модели, показанную на рисунке 3,6. В данной модели возможен случай, когда аг <0 при F^ > FtI, т.е.

реально груз не перемещается по платформе, поэтому отрицательные значения аг следует исключить из рассмотрения.

Из полученных при моделировании результатов следует, что применение оптимизированной ВЭМС двухроторной ВУ с поворотной платформой позволяет получить достаточно широкое множество технологических режимов установки с заданными траекториями колебаний и перемещения продукта (груза).

г* і

"■» т.

ШШШШ^Ш^ШШШ'

а. б.

Рисунок 3 — Расчётная кинематическая схема двухроторной вибрационной установки с учетом перемещения груза по платформе (а) и динамическая структурная схема (ДСС) для определения перемещения груза по платформе (б)

Вторая глава включает вопросы исследования трехроторных ВУ с ортогональным пространственным расположением роторов. С этой целью сформированы соответствующие модели, выполнена оптимизация динамики ЭМС, произведено имитационное моделирование. Также в этой главе проведены исследования перемещения груза по наклонной платформе.

На основе разработанного математического описания создана структурная имитационная модель для исследования колебаний платформы трехроторной виброустановки. Синтезированы структуры и параметры регуляторов линейных колебаний платформы, выполнено имитационное исследование работы взаимосвязанных ЭМС, подтверждающее достаточно высокое качество функционирования ЭМС виброустановки в условиях вариации массы платформы. Произведено исследование СЭП трехроторной вибрационной установки со стабилизацией линейных колебаний платформы при введении дополнительных средств коррекции по координатам У, Ъ, X в условиях вариации массы груза. На рисунке 4 представлена имитационная модель трехроторной вибрационной установки со стабилизацией колебаний по осям У, Ъ, X в пакете МАТЬ А В БтиИпк.

На основе полученной модели построены зависимости амплитуд колебаний платформы для различных значений угла рассогласования 013 в функции от 012, иллюстрирующие достаточно широкие возможности управления амплитудой колебаний платформы по координатам У, Z, X (рисунок 5).

Рисунок 4 - Имитационная модель трехроторной вибрационной установки со стабилизацией колебаний по осям У, Ъ, X.

На основе разработанной расчётной кинематической схемы трехроторной вибрационной установки с учетом перемещения груза по платформе (рисунок 6,а) получена динамическая структурная схема для исследования динамики перемещения груза по платформе трехроторной вибрационной установки (рисунок 6,6).

При помощи соответствующей имитационной модели, построенной в пакете МАТЪАВ БтиНпк построены номограммы ускорения, скорости и пройденного грузом пути при перемещении груза по платформе трехроторной вибрационной установки с регулированием фазового рассогласования роторов и вариации угла наклона платформы. Из номограмм следует, что увеличение массы груза при прочих равных условиях обуславливает снижение ускорения, скорости и пройденного грузом пути. Это связано со снижением амплитуды линейных колебаний платформы при увеличении нагрузки. Снижение ускорения груза будет наблюдаться вплоть до его полной остановки, что связано с недостаточностью вынуждающих сил для преодоления силы трения груза о поверхность платформы. Увеличение массы груза может привести к его остановке, а при увеличении коэффициента трения это наступит значительно раньше. Увеличение угла наклона платформы приводит к увеличению значений ускорения, скорости и пройденного грузом пути, что полностью соответствует физическим представлениям.

- ві> - ІҐ • 8м = 30°

б).

В).

Рисунок 5 - Колебания платформы при вариации углов 9Р и Э13 в координатах

¥(а),2(б),Х(в).

аг У,

Р Р

а. б.

Рисунок 6 - Расчётная кинематическая схема трехроторной вибрационной установки с учетом перемещения груза по платформе (а) и динамическая структурная схема для расчета перемещения груза на платформе (б)

Следует также отметить, что максимальные значения ускорения, скорости и пути груза достигаются при 812= 180 0 и 613= 0°, что соответствует полученным графикам амплитуд колебаний платформы для различных значений угла рассогласования 9[3 в функции от (рисунок 5).

Третья глава рассматривает вопросы разработки эквивалентных математических и имитационных моделей, способов построения и оптимизации взаимосвязанных ЭМС шестироторных ВУ. Здесь же разработана концепция построения ЭМС со стабилизацией параметров колебаний платформы при изменении массы груза средствами автоматического управления взаимосвязанными электроприводами.

На основе разработанного с помощью расчетных кинематических схем (рисунок 7) математического описания была создана, представленная на рисунке 8 динамическая структурная схема (ДСС) системы управления шестироторной вибрационной установкой со стабилизацией колебаний платформы, построенная в соответствии с разработанными принципами:

1. Полная управляемость взаимосвязанной системы. Основан на выборе одного из приводов дебалансов в качестве ведущего, регулируемого по скорости (САРС), а других ЭП - в качестве ведомых, регулируемых по угловому положению (САРП) относительно ведущего привода. В многороторных, в частности шестироторных ВУ, организуется соподчиненное управление роторами ведомых ЭП.

2. Достаточность быстродействия контуров САУ. Для устойчивого регулирования углового рассогласования дебалансных роторов (ДР) значения частоты среза контуров положения должны быть не ниже частоты свободных упругих колебаний платформы. Это обуславливает выбор соответствующего быстродействия подчиненных контуров регулирования.

3. Необходимость подавления внешних и внутренних возмущений, в частности вариации массы груза на платформе, оборотных биений ДР, влияния упругости карданных валов приводов и т.д., что позволяет стабилизировать параметры амплитуды колебаний платформы по заданным координатам.

При построении математической модели ВУ важным является выделение типовых узлов механической (ДР, упругие валы ДР, платформа) и электрической (САРС, САРП, система стабилизации колебаний платформы) частей ВУ. Такое представление сложных взаимосвязанных ЭМС представляется рациональным, как с точки зрения создания, так и при их анализе.

С помощью полученной в соответствии с указанными подходами ДСС в пакете МАТЬАВ БшшНпк создана структурная имитационная модель ЭМС для исследования колебаний платформы шестироторной виброустановки в заданном множестве режимов функционирования (рисунок 9).

Рисунок 7 — Расчетные кинематические схемы 6-ти роторной вибрационной установки: а - вид спереди; б - вид сверху; в - вид сбоку; г - пространственное

представление стенда

Синтезированы структуры и параметры регуляторов линейных и угловых колебаний платформы, выполнено многофакторное имитационное исследование работы взаимосвязанных СЭП, подтвердившее достаточно высокое качество функционирования ЭМС виброустановки в условиях вариации массы платформы.

Путем задания различных углов рассогласования роторов подтверждена возможность управления параметрами колебаний при вариации массы продукта (рисунок 10). Данный эксперимент показал, что эффективность стабилизации зависит от углов рассогласования роторов, что обуславливает изменение соотношения проекций вынуждающих сил на соответствующие плоскости колебаний.

При введении системы стабилизации контуры колебаний с РЛК и РУК осуществляют управление углами рассогласования роторов, что приводит к стабилизации амплитуд колебаний платформы (рисунок 11) по двум линейным У, X и трем угловым фп, |//п, Хп координатам. При этом амплитуда колебаний по оси Ъ несколько уменьшается.

вибрационной установкой со стабилизацией колебаний платформы

Рисунок 9 - Имитационная модель взаимосвязанной ЭМС шестироторной вибрационной установки

Рисунок 10 - Характеристики

Рисунок 11 — Осциллограммы

управления колебаниями платформы колебаний платформы по линейным і при вариации углов рассогласования угловым координатам при

между парами дебалансных роторов

ступенчатом набросе нагрузки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным научным результатом диссертации является разработка концепции построения, оптимизации и имитационного исследования взаимосвязанных ЭМС многороторных вибрационных установок, обеспечивающих эффективное функционирование в квазиустановившихся и динамических режимах, с целью создания нового поколения агрегатов рассматриваемого класса.

В соответствии с целью и задачами диссертации получены следующие основные результаты:

1. Показано, что применение многороторных механизмов с индивидуальными электроприводами постоянного или переменного тока и унифицированных систем автоматического регулирования дает возможность значительно расширить область рабочих режимов виброустановок и обеспечить управляемые колебания исполнительных органов по заданным координатам.

2. На основе разработанного математического описания созданы структурные имитационные модели ЭМС для исследования колебаний платформ двух-, трех- и шестироторных виброустановок в заданном множестве режимов функционирования.

3. Предложено выделение типовых узлов механической (ДР, упругие валы ДР, платформа) и электрической (САР скорости ДР, САР положения ДР, система стабилизации колебаний платформы) частей виброустановок с целью создания унифицированных математических модулей, на основе которых компонуются эквивалентные модели в виде динамических структурных схем (ДСС). Данный метод позволяет существенно упростить построение, режимную настройку и многофакторное имитационное исследование сложных взаимосвязанных ЭМС.

4. Произведено исследование СЭП двух-, трех- и шестироторных вибрационных установок при различных видах нагрузки. Предложены способы введения средств электротехнической коррекции САУ с целью стабилизации колебаний платформы при внешних возмущениях.

5. Сформированы структурные динамические схемы и имитационные модели для исследования перемещения груза по платформе двух- и трехроторных вибрационных установок, оснащенных разработанными СЭП.

6. Из полученных при моделировании результатов следует, что применение оптимизированных взаимосвязанных ЭМС многороторных виброустановок с поворотной платформой позволяет получить достаточно широкое множество технологических режимов с заданными траекториями колебаний и перемещений продукта (груза).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК

1. Нации Г.В., Шестаков В.М., Еиишкии А.Е. Унифицированные способы построения и оптимизации взаимосвязанных электромеханических систем многороторных вибрационных установок // Электричество. №2, 2012. -С.33-36.

2. Нацин Г.В., Шестаков В.М., Епишкин А.Е. Разработка и исследование системы стабилизации колебаний шестироторной вибрационной установки // Мехатроника, Автоматизация, Управление. №12, 2009. - С. 35—40.

Публикации в рецензируемых изданиях

3. Нацин Г.В. Исследование и оптимизация взаимосвязанной электромеханической системы шестироторного вибростенда при вариации массы продукта на платформе // Инструмент и технологии. №28, 2010. - Вып. 2.-С.48-51.

4. Нацин Г.В., Шестаков В.М., Епишкин А.Е. Динамика взаимосвязанной электромеханической системы двухроторной виброустановки с нагруженной поворотной платформой // Инструмент и технологии. №31, 2011. — Вып. 1. -С.89-94.

Публикации в других изданиях

5. Нацин Г.В. Исследование и оптимизация взаимосвязанной электромеханической системы трехроторного вибростенда при вариации массы продукта на платформе // Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства. Сб. научн. Тр. СПб.: Изд. «Инструмент и технологии». 2008. - С.93-96.

6. Г.В. Нацин, В.М. Шестаков. Исследование динамики управляемой ЭМС трехроторной виброустановки» // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научн. конф. студентов и асп. 4.VIII. СПб.: Изд.-во Политехи. Ун-та. 2008. - С.170-174.

7. Г.В. Нацин, А.Е. Епишкин. Стабилизация режимов работы шестироторной вибрационной установки // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. 4.VIII. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та. 2009. - С.74-76.

8. Г.В. Нацин, В.М. Шестаков. Исследование ЭМС двухроторной виброустановки с учетом перемещения груза на платформе // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Инженерно-технические науки. Часть 2. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та. 2010. - С.337-339.

9. Г.В. Нацин, В.М. Шестаков. Динамика трехроторной вибрационной установки с наклонной платформой // XL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. VIII. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та. 2011. - С.57-59.

Подписано в печать 25.04.13. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 34.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ)

На правах рукописи

0420155*5116 Нацин Георгий Вадимович

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МНОГОРОТОРНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шестаков В. М.

Санкт-Петербург 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 4

ГЛАВА 1. Построение, исследование и оптимизация динамики ЭМС

двухроторных вибрационных установок..................................... 9

1.1. Унифицированные системы электропривода многороторных вибрационных установок........................................................................... 9

1.2. Математическое описание механической части двухроторных вибрационных установок........................................................................... 28

1.3. Построение и оптимизация СЭП виброустановок с регулированием

угла рассогласования между роторами.................................................... 39

1.4. Исследование взаимосвязанной САРС с поворотными осями дебалансных роторов................................................................................. 45

1.5. Исследование взаимосвязанной электромеханической системы вибростенда при различной массе продукта на платформе и синфазном вращении роторов................................................................... 50

1.6. Построение взаимосвязанной СЭП для стабилизации режимов

работы виброустановки.................................................................................... 53

1.7. Исследование СЭП с поворотными осями дебалансных роторов и вариацией угла рассогласования между ними......................................... 57

1.8. Оптимизация динамики вибрационной установки при вариации

массы груза на платформе................................................................................ 62

1.9. Разработка системы управления перемещением груза по платформе 66

1.10. Построение имитационной модели взаимосвязанной ЭМС и исследование динамики перемещения груза по платформе.................. 70

Выводы по главе 1............................................................................................. 75

ГЛАВА 2. Разработка, исследование и оптимизация динамики ЭМС

трехроторных вибрационных установок...................................... 78

2.1. Математическое описание механической части трехроторных вибрационных установок........................................................................... 78

2.1.1. Разработка кинематики виброустановки............................................................................................78

2.1.2. Уравнения динамики механической части виброустановки..............................79

2.2. Построение и оптимизация взаимосвязанной СЭП................................................................82

2.3. Исследование СЭП трехроторной вибрационной установки................................83

2.4. Введение контура линейных колебаний с обратной связью по

положению платформы по оси Y..................................................................... 86

2.5. Построение имитационной модели и исследование системы со стабилизацией линейных колебаний платформы по оси Y.................... 88

2.6. Построение имитационной модели и исследование системы со стабилизацией линейных колебаний платформы по осям Y, Z, X...... 90

2.7. Построение математической модели перемещения груза по наклонной платформе трехроторной вибрационной установки............ 95

2.8. Построение имитационной модели трехроторной вибрационной установки для исследования перемещения груза по платформе........... 98

2.9. Исследование динамики перемещения груза по платформе с регулированием фазового рассогласования роторов и вариации угла наклона платформы........................................................................................................................................................101

2.10. Исследование динамики перемещения груза по платформе с регулированием угла рассогласования роторов и вариации коэффициента трения................................................................................. 106

Выводы по главе 2............................................................................................. 110

ГЛАВА 3. Разработка, исследование и оптимизация динамики ЭМС

шестироторных вибрационных установок................................... 112

3.1. Математическое описание механической части шестироторных вибрационных установок........................................................................... 112

3.1.1. Разработка кинематики виброустановки............................................................................................112

3.1.2. Уравнения динамики механической части вибрационной установки 114

3.2. Построение и оптимизация взаимосвязанной СЭП................................................................116

3.3. Исследование СЭП шестироторной вибрационной установки..........................120

3.4. Исследование СЭП при изменении углов рассогласования роторов .... 126

3.5. Введение контуров стабилизации линейных и угловых колебаний с обратной связью по положению платформы по осям X,Y,Z................. 128

Выводы по главе 3............................................................................................. 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................. 137

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................................. 140

Приложение (акты использования)................................................................. 151

ВВЕДЕНИЕ

Рост производительности труда в современном мире предъявляет всё более жёсткие требования к промышленному оборудованию, в том числе к вибрационным установкам, широко использующимся в различных отраслях промышленности. Примерами использования вибрационных установок являются грохоты для горнорудной промышленности, машины для вибрационного погружения и выдергивания свай, шпунта и труб, вибрационные дорожные и строительные машины для трамбования грунта и формирования железобетонных изделий, машины для изготовления литейных форм и выбивки опок, многочисленные вибрационные устройства для транспортирования насыпных грузов и штучных изделий, вибрационные насосы для перекачки жидкостей. В машиностроении такие устройства применяются для виброшлифования, виброгалтовки, перемешивания металлических расплавов, виброобкатки, рубки и обработки ударами; в сельском хозяйстве - для вибросортировки, вибротранспортирования, встряхивания; в пищевой промышленности - для расфасовки, упаковки и сушки; в текстильной промышленности - для прокидки челноков и раскладки нитей при намотке; в медицине - системах искусственного кровообращения; в оптической механике и радиолокации - для создания различных траекторий сканирования и так далее. Электромеханические системы колебательного движения также имеют широкое применение в испытательных, измерительных и калибровочных вибростендах.

Широкая область применения вибрационных установок предъявляет к ним требования самого различного характера, как конструктивные, так и технологические. В то же время принцип работы оборудования рассматриваемого класса остаётся неизменным, что допускает общность подхода к решению поставленных задач.

Значительная часть вибрационных установок оснащена

электромеханическими вибровозбудителями, выполненными на основе несбалансированных роторов (дебалансов), приводимых во вращение электроприводом. В настоящее время работа большинства виброустановок базируется на использовании морально устаревших электроприводов и неэффективных алгоритмов управления, осуществляющих выдачу сигналов на запуск и поддержание скорости вращения дебалансов на заданном уровне, как правило, в зарезонансной зоне. При этом виброустановки имеют низкое качество регулирования режимов работы, что в большинстве случаев снижает эффективность их функционирования. Электродвигатели для привода дебалансов выбираются на мощность, необходимую для обеспечения прямого пуска, и в установившемся режиме работают с существенной недогрузкой, что обуславливает неудовлетворительную энергетику приводов.

Некоторые из задач решались в работах, проведенных Н. X. Базаровым [8, 9], учеными Санкт-Петербургского политехнического университета А. С. Кельзоном, Л. М. Малининым, А. А. Первозванским [46, 64], работах профессоров ИПМаш РАН И. И. Блехманом [15, 16, 17], А. Л. Фрадковым [75, 76, 86], Санкт-Петербургского института машиностроения В. М. Шестаковым, О. П. Томчиной, О. Л. Нагибиной [73, 81, 82, 85, 87], а также в работах ряда зарубежных авторов [26, 88]. Кроме того, необходимо отметить труды в областях, близких к исследуемой: это системы с упругими связями и следящие системы. Здесь большая роль принадлежит таким ученым, как Ю. А. Борцов [21, 23, 24], В. Л. Вейц [28, 29, 30, 31], С. А. Ковчин [48, 50], А. Е. Козярук, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов, О. А. Соколов, Г. Г. Соколовский [24].

Одним из путей повышения качества работы электромеханических вибрационных установок является разработка новых многороторных структур с индивидуальными электроприводами, расширяющих спектр возможностей по управлению пространственными колебаниями виброплатформы.

В работе рассмотрен комплекс вопросов построения и функционирования двух-, трех- и шестироторных вибрационных установок с исследованием квазиустановившихся и динамических режимов работы взаимосвязанных электромеханических систем.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка, исследование и оптимизация взаимосвязанных ЭМС, обеспечивающих рациональное функционирование многороторных виброустановок в квазиустановившихся и динамических режимах, определение общих принципов их построения и унифицированных способов оптимизации динамики САУ. В соответствии с этим задачами работы являются:

1. Разработка эквивалентных математических и структурных имитационных моделей электромеханических объектов двух-, трех- и шестироторных ВУ;

2. Разработка, построение и оптимизация систем автоматического управления многодвигательными электроприводами ВУ;

3. Построение математических и имитационных моделей ЭМС двух- и трехроторных ВУ с наклонной виброплатформой с учетом перемещения продукта (груза);

4. Проведение многофакторных компьютерных имитационных исследований динамики ЭМС многороторных ВУ с генерацией регулируемых плоскостных и пространственных колебаний платформы в заданном множестве режимов функционирования;

5. Получение научно-обоснованных подходов к проектированию ЭМС многороторных установок.

Диссертационная работа содержит следующие основные этапы исследований:

1. Разработка адекватного математического описания ЭМС двух-, трех- и шестироторных виброустановок.

2. Создание эквивалентных структурных имитационных моделей ЭМС двух-, трех- и шестироторных виброустановок для исследования плоскостных и пространственных колебаний платформы.

3. Многофакторное исследование СЭП многороторных виброустановок в заданном множестве режимов функционирования.

В первой главе разработано адекватное математическое описание, сформированы структурные динамические и имитационные модели ЭМС двухроторных виброустановок, способы оптимизации САУ, произведено имитационное исследование ВУ с поворотными осями дебалансов, обеспечивающих пространственные колебания платформы.

Вторая глава посвящена исследованию трехроторных ВУ. С этой целью сформированы соответствующие модели, произведена оптимизация динамики ЭМС, а также выполнено имитационное моделирование. Также в этой главе проведены исследования перемещения груза по наклонной платформе.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки эквивалентных математических и имитационных моделей, способов построения и оптимизации взаимосвязанных ЭМС шестироторных ВУ. Здесь же разработана концепция построения ЭМС со стабилизацией параметров колебаний платформы при изменении массы груза средствами автоматического управления взаимосвязанными электроприводами.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ» (XXXVII, XXXVIII, XXXIX и ХЬ) в секции «Системы автоматического управления электромеханическими объектами и электротехническими комплексами», на международной научно-технической интернет-конференции Пермского Государственного Технического Университета, а также на научно-технических семинарах кафедры АТПиП ПИМаш.

По работе имеется 9 печатных работ, 2 из которых опубликованы в ведущих изданиях из списка ВАК и 2 в рецензируемых изданиях.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект № 2.1-589), направленной на координацию академической (ИПМаш РАН) и вузовской науки (СПбГЭТУ, СПбИМаш, СПбГБТУ).

ГЛАВА 1. Построение, исследование и оптимизация динамики ЭМС двухроторных вибрационных установок

1.1. Унифицированные системы электропривода многороторных вибрационных установок

В данной диссертационной работе при рассмотрении многороторных вибрационных установок за основу были приняты наработки, выполненные при помощи вибрационных стендов СВ-1 и СВ-2, установленных в лаборатории мехатронных комплексов СПбГЭТУ. Эти стенды разработаны совместно с ИПМаш РАН, АО "МеханОбр", БГТУ, СПбГЭТУ, в рамках выполнения целевой федеральной программы "Интеграция" и предназначены для демонстрации механических эффектов и приемов управления вращательными и колебательными движениями, для выполнения работ по исследованию вибрационных процессов и машин в области механотроники.

Каждый из стендов включает:

• вибрационный стенд с одним или двумя электроприводами дебалансных роторов;

• электронный блок усилителя-преобразователя;

• систему датчиков со специальным контроллером для обработки сигналов;

• персональный компьютер с устройствами сопряжения с физической аппаратурой;

• алгоритмическое и программное обеспечение.

На рисунке 1.1 представлен общий вид вибрационного стенда СВ-2.

Традиционный привод постоянного тока продолжает играть важную роль, особенно в тех приложениях, где нужно обеспечить высокодинамичные режимы с постоянным моментом вращения, жесткими требованиями по перегрузочной способности в широком диапазоне скоростей. Благодаря этому на протяжении нескольких десятилетий он был стандартным приводом почти во всех областях применения приводной техники.

Рисунок 1.1 - Вибрационный стенд СВ-2

Сегодня промышленные приводы постоянного тока получают питание через вентильные преобразователи (работающие одновременно как выпрямитель и исполнительный элемент) от сети 50 Гц. Основными достоинствами электроприводов с изменяемой частотой вращения на базе двигателей постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением являются:

• линейные характеристики регулирования частоты вращения и момента;

• широкий диапазон регулирования частоты вращения;

• высокая равномерность вращения, особенно на низких скоростях;

• достаточно высокая динамика;

• малая высота оси вращения;

• высокий КПД при использовании для возбуждения постоянных магнитов;

• высокая перегрузочная способность в кратковременном режиме.

Однако наряду с этими преимуществами нужно учитывать и недостатки:

• механический износ щеток и коллектора;

• ограничение максимальной частоты вращения коммутацией тока;

• серьезное удорожание при степени защиты выше 1Р23;

• существенное обратное влияние на сеть (например, реактивная мощность первой гармоники и системные гармонические колебания напряжения и тока).

У применяемых сегодня новых машин влияние этих негативных особенностей конструкции значительно сокращено [26]. Ресурс щеток двигателя постоянного тока составляет, примерно, 7000... 12000 часов, благодаря современному коллекторному узлу, углеродистым щеткам и оптимизированному полю возбуждения. В зависимости от механических условий эксплуатации, интервал замены смазки в двигателях постоянного или переменного тока может быть соизмерим, а зачастую и меньше, чем ресурс щеток коллекторного двигателя.

Предлагаемая сегодня гамма двигателей постоянного тока охватывает диапазон мощности от нескольких киловатт до нескольких мегаватт. В основе принципа работы в двигательном режиме лежит действие силы на проводник с током в магнитном поле. С этим связаны особенности устройства двигателя. Магнитные полюса расположены в статоре (неподвижная часть). Они возбуждаются постоянным током от собственного источника напряжения (независимое возбуждение). В диапазоне малой мощности (примерно до 10 кВт) все чаще применяются двигатели с полюсами на постоянных магнитах (редкоземельные магниты, МсШеВ). В изолированных пазах ротора (якоря, вращающейся части) размещена замкнутая на себя диаметральная обмотка; ее секции выведены на соответствующие пластины коллектора, а лобовые части зафиксированы бандажами от действия центробежных сил. Чем больше секций в обмотке, тем равномернее распределяется по углу поворота создаваемый вращающий момент и тем выше плавность вращения. Ток подается на ротор механическим способом через угольные щетки, которые скользят по пластинам коллектора. Когда ротор вращается, система «щетки-коллектор» работает как самоуправляемый механический инвертор и переключает постоянный ток в секциях обмотки в переменный ток таким образом, что несмотр