УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ И ПОДДЕРЖАНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ РЕЖИМОВ КОЛЕБАНИЙ ВИБРАЦИОННОЙ МАШИНЫ С ПРИВОДОМ ОТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE FOR AUTOMATIC TUNING AND MAINTENANCE OF RESONANCE MODES OF OSCILLATIONS OF VIBRATION MACHINE DRIVEN BY INDUCTION MOTOR

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Технический результат направлен на автоматическую настройку и поддержание резонансных колебаний рабочего органа вибрационной машины (вибромашины), возбуждаемых дебалансным инерционным вибровозбудителем с приводом от асинхронного электродвигателя, при изменении параметров механической системы вибромашины за счет управления частотой питающего напряжения.
Известны устройства для резонансной настройки вибромашин, основанные на поддержании угла сдвига между фазой перемещения рабочего органа вибромашины и фазой вынуждающей силы, близким к π/2, за счет введения системы автоматического управления (САУ) с обратной связью [1]. Структура подобных устройств состоит из двух основных частей: узла учета отклонения регулируемого параметра и узла учета фазы. В состав узла учета отклонения регулируемого параметра входят задатчики минимальной и максимальной амплитуд. Недостатками подобных устройств является то, что в них предлагается импульсная САУ, которая поддерживает работу вибромашины только вне зоны нечувствительности, а также требуется задание значения минимальной и максимальной амплитуд, которые в действительности заранее неизвестны. Также в этих устройствах не указано, в какой момент времени начинается поиск резонансного режима, что может привести к застреванию асинхронного двигателя в пусковой зоне. Недостатком также является использование в структуре САУ реле, которые обладают сравнительно невысоким быстродействием и ограниченным ресурсом. Кроме того, в этих устройствах в качестве датчика колебаний используется виброметр, что ограничивает использование других датчиков колебаний, например велосиметров или акселерометров.
Известно устройство поддержания резонансных колебаний механической системы с синхронным электродвигателем, А.С. СССР 1726055, B06B 1/16, 1992 г., в котором измеряют ускорение механической системы с помощью датчика колебаний, затем сдвигают на π/2 фазу сигнала, дифференцируют его, усиливают и подают на одну из обмоток синхронного электродвигателя. На другую обмотку подают постоянное напряжение. Изменяют амплитуду переменного напряжения и поворачивают статор электродвигателя до совпадения движущего момента и момента нагрузки в каждый момент времени, что обеспечивает поддержание резонансных колебаний механической системы. Недостатком данного устройство является невозможность его использования в вибромашинах с приводом от асинхронного электродвигателя.
Известно также устройство для поддержания резонансных механических колебаний, патент РФ 2335352, B06B 1/14, 2004 г., содержащее рабочий орган, источник возмущающей периодической силы, основную и виброизолирующую упругие связи, отличающееся тем, что рабочий орган соединен с основанием виброизолирующей упругой связью, в качестве источника возмущающей периодической силы применен инерционный вибратор, связанный с рабочим органом через основную упругую связь. Инерционный вибратор подключен к устройству управления колебаниями рабочего органа, на рабочем органе установлен датчик колебаний, выход которого подключен к входу устройства управления колебаниями рабочего органа, при этом устройство управления колебаниями рабочего органа выполнено с возможностью обработки сигнала датчика колебаний, сравнения его с заданным опорным сигналом и формирования сигнала управления инерционным вибратором по угловой частоте возмущающей периодической силы, а также с возможностью работы в двух режимах: режиме ручной настройки колебаний рабочего органа и режиме автоматического поддержания заданных колебаний рабочего органа. Недостатками данного устройства является невозможность его использования для автоматической настройки на резонансный режим вследствие неопределенности массы рабочего органа с технологической нагрузкой при ее произвольном изменении и, соответственно, неопределенности резонансной частоты системы и опорного сигнала, а также невозможности оценки резонансной частоты в системах с нелинейными характеристиками восстанавливающей силы и с двигателем ограниченной мощности.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для автоматической настройки на резонансный режим колебаний рабочего органа вибромашины, возбуждаемых дебалансными инерционными вибровозбудителями с приводом от асинхронного двигателя, при изменении параметров механической системы вибромашины в широких пределах за счет управления частотой питающего напряжения.
Решение задачи достигается тем, что в предлагаемом устройстве частота вращения дебалансов регулируется за счет изменения частоты питающего напряжения в зависимости от величины сдвига фаз между колебаниями рабочего органа вибрационной машины и периодической возмущающей силой, которая определяется угловым положением дебалансов, а измерение величины сдвига фаз вычисляется по сигналам с датчиков углового положения дебаланса и датчика колебаний рабочего органа (виброметра, велосиметра или акселерометра). Необходимое изменение частоты питающего напряжения с учетом динамических характеристик вибромашины и асинхронного двигателя вычисляется в блоке управления таким образом, чтобы сдвиг фаз между колебаниями рабочего органа и возмущающей силой был равен π/2. Дополнительное к измерению колебаний (перемещения, скорости или ускорения) рабочего органа вибромашины измеряют угловое положение дебаланса, что позволяет определить сдвиг фаз между колебаниями рабочего органа вибромашины и возмущающей силой, определяют отличие сдвига фазы от сдвига фазы, соответствующего резонансному режиму, в зависимости от которого изменяют частоту вращения дебаланса. Это позволяет достичь устойчивой резонансной настройки и может применяться для вибромашин с нелинейными механическими характеристиками их элементов и вибромашин с вибровозбудителем с ограниченной мощностью.
На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства.
Устройство для автоматической настройки и поддержания резонансных режимов колебаний вибрационной машины с приводом от асинхронного двигателя включает в себя рабочий орган вибромашины в виде платформы 1, установленной на неподвижном основании 2 с помощью упруговязких опор 3. На платформе 1 установлены асинхронный двигатель 4 с вращающимся дебалансом 5 и датчик колебаний 6. На корпусе асинхронного двигателя 4 закреплены датчики положения дебаланса 5, выполненные в виде двух оптопар 7 и 8, которые расположены на корпусе электродвигателя 4, в точках, симметричных относительно оси вращения дебаланса на горизонтальной линии, проходящей через эту ось. В дебалансе выполнено отверстие 9, центр которого расположен на линии, соединяющей центр вращения и центр масс дебаланса 5 в точке, соответствующей оси чувствительности оптопар 7 и 8. Датчик колебаний 6 и датчики положений 7 и 8 соединены с блоком управления 10, выход которого соединен с входом управляющего преобразователя электроэнергии 11, соединенный с внешним источником электропитания и имеющий выход на асинхронный двигатель 4.
Блок управления 10 состоит из устройства согласования сигналов 12, блока вычисления фазового сдвига 13 и программируемого логического контроллера 14, причем к выходу устройства согласования сигналов 12 подключен датчик колебаний 6, а его выход соединен с аналоговым входом блока вычисления фазового сдвига 13, к цифровым входам которого присоединены датчики положения дебаланса 7 и 8, причем выход блока вычисления фазового сдвига 13 также соединен с входом частотного преобразователя 11 через контроллер 14. Датчик колебаний 6 может быть выполнен в виде виброметра, велосиметра или акселерометра.
Принцип работы устройства основан на периодическом измерении фазового сдвига между направлением возмущающей силы, которое однозначно определяется угловым положением дебаланса, и колебаниями рабочего органа, в результате чего определяется режим работы вибромашины (дорезонансный, резонансный или зарезонансный) и формируются управляющие воздействия. Известно, что при резонансе фазовый сдвиг возмущающей силы составляет π/2 относительно перемещения рабочего органа.
Датчики углового положения дебаланса представляют собой оптоэлектронные устройства - оптопары ДП1 и ДП2, формирующие импульсы электрического напряжения при прохождении оптического луча через отверстие в дебалансе (фиг. 1). Отверстие в дебаланса расположено на радиальной линии, соединяющей центр вращения вала с центром масс дебаланса. Датчики положения дебаланса установлены на корпусе электродвигателя в точках, расположенных на горизонтальном диаметре, так, чтобы при прохождении дебалансом горизонтальной линии происходило срабатывание оптопар ДП1 или ДП2 и формирование электрического импульса, соответствующего углу поворота дебаланса (фиг. 1).
Датчик колебаний ДК рабочего органа, жестко установленный на рабочем органе, формирует электрическое напряжение, соответствующее его колебаниям.
Сигнал с ДК поступает на блок СС, в котором в случае измерения перемещения сигнал без преобразования поступает в блок ВФС; в случае измерения скорости сигнал интегрируется один раз, а в случае измерения ускорения сигнал интегрируется дважды.
В блоке ВФС, построенном с использованием электронных микросхем, вычисляется рассогласование между измеренным сдвигом фазы φ и сдвигом фазы, соответствующим резонансному режиму колебаний, равным π/2. По знаку величины рассогласования определяется режим работы машины: дорезонансный, если φ<π/2, резонансный, если φ=π/2 или зарезонансный, если φ>π/2. Из блока ВФС в блок ПЛК поступает сигнал, соответствующий текущему режиму работы, в зависимости от которого в блоке ПЛК генерируется сигнал, соответствующий необходимой корректировке частоты вращения дебаланса. Этот сигнал передается на ЧП, что приводит к изменению питающего напряжения электродвигателя и соответственно частоты его вращения.
Блок вычисления фазового сдвига (ВФС) работает следующим образом (фиг. 2). Пуск двигателя происходит под управлением ПЛК с номинальными значениями частоты и напряжения, блок ВФС во время пуска выключен. После завершения пускового режима и выхода электродвигателя в рабочую область его механической характеристики сигнал от ПЛК сбрасывает триггеры Т1 и Т2, что приводит к сбрасыванию триггера T3 и обнулению счетчиков СТ1 и СТ2. Затем ПЛК формирует сигнал «А», равный логической единице, который включает работу блока ВФС.
В момент времени, когда угол поворота дебаланса относительно вертикальной оси по направлению движения составит π/2, срабатывает оптопара ДП1 (светодиод VD1 и фотодиод VD3). В результате кратковременный световой импульс установит триггер Т1, который разрешает работу счетчика СТ1 (при R=0 счетчик формирует выходной код, при R=1 - обнуляется). СТ1 выполняет подсчет тактовых импульсов «Т». Все счетчики, используемые в схеме, работают в режиме суммирования. Выходы СТ1 подсоединены к входам регистра RG1. Установленный Т1 переводит триггер Т3 в режим работы D-триггера.
В момент времени, когда угол поворота дебаланса 4 относительно вертикальной оси по направлению движения составит 3π/2, срабатывает оптопара ДП2 (светодиод VD2 и фотодиод VD4). В результате кратковременный световой импульс, проходя через логический элемент «И», одновременно устанавливает триггер Т2 и записывает в регистр RG1 двоичный код, соответствующий 1/4 периода колебаний. Фактически СТ1 фиксирует полупериод колебаний, но, сдвинув разряды при подаче их в регистр, получим деление полупериода на два. Установленный Т2 разрешает прохождение импульсов с выхода одновибратора G1 на тактовый вход C триггера T3. Сигнал с датчика ДК через блок СС поступает на оптопару VD5, подключенную к входу ST3 одновибратора G1.
Одновибратор G1 формирует короткие импульсы при подаче на его вход ST3 положительного фронта сигнала. Импульс на выходе G1 будет формироваться в момент, когда перемещение рабочего органа принимает нулевое значение при переходе из отрицательной области в положительную. Импульс от G1 устанавливает T3, который запускает счетчик СТ2, а также запрещает повторную запись кода в RG1.
После этого схема ожидает прихода импульса, при котором формируется сигнал «Б», записывающий двоичный код на выходе СТ2 в регистр RG3, а код из RG1 - в RG2. Выходы регистра RG2 подключены к входам X, а выходы регистра RG3 - к входам Y двоичного компаратора, который сравнивает значения на входах и формирует соответствующий сигнал на выходе, поступающий в ПЛК. Если числовой код в RG2 меньше, чем в RG3, то на выходе «X<Y» компаратора появится логическая единица, а на выходах «Χ=Υ» и «Х>Y» - нули, и режим работы системы будет определен как дорезонансный, а это значит, что ПЛК будет увеличивать частоту вращения вибровозбудителя. Если числовой код в RG2 больше, чем в RG3, то на выходе «Χ>Υ» компаратора появится логическая единица, а на выходах «Χ=Υ» и «Χ<Υ» - нули, и режим работы системы будет определен как зарезонансный, а это значит, что ПЛК будет уменьшать частоту вращения вибровозбудителя. Если числовые коды в RG2 и в RG3 равны, то на выходе «Χ=Υ» компаратора появится логическая единица, а на выходах «Χ>Υ» и «Χ<Υ» - нули, и режим работы системы будет определен как резонансный, а это значит, что ПЛК оставит частоту вращения вибровозбудителя без изменения. С целью учета погрешностей на компаратор подаются старшие разряды двоичных кодов.
Сигнал «Б» также сбрасывает триггеры T1 и T2, подготавливая схему к следующему такту работы.
Список литературы
1. Вибрации в технике: справочник. В 6 т. Т. 4. Вибрационные процессы и машины / под. ред. Э.Э. Лавендела. - М.: Машиностроение, 1981. - 509 с., стр. 460-467.