CC BY
60
Электротехнические комплексы и системы
Яруллин Р.Б.
Yarullin R.B.
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Машины, аппараты, приборы и технологии сервиса» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», Россия, г. Уфа
Сафин Р.Р.
Safin R.R.
доктор технических наук, доцент заведующий кафедрой «Математика и математическое моделирование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», Россия, г. Уфа
УДК 631.3-83:631.362
К ВОПРОСУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САМОРЕГУЛИРУЕМОГО ИНЕРЦИОННОГО ВИБРАТОРА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВИБРОМАШИН
Практика показывает, что во многих случаях вибрация в технологических процессах оказывается весьма полезной за счет: высокой производительности технологических машин при минимальных энергозатратах; интенсификации в десятки, сотни раз многих технологических процессов: совмещения в одних и тех же процессах нескольких функций; реализации некоторых процессов, в которых вибрация имеет решающее значение, - без нее процессы либо вообще не осуществимы, либо нерентабельны. Основными параметрами виброобработки материалов считается частота и амплитуда колебаний рабочего органа (РО) вибромашин. В современных машинах вибрационного действия используется вибрация от низких (от 10 мГц) до высоких (до 10 кГц) частот. Причем низким частотам соответствуют большие амплитуды (от нескольких до десятков сантиметров), высоким - малые амплитуды (миллиметры и доли миллиметра). Исследования на вибромашинах агропромышленного назначения показывают, что для каждого технологического процесса, а также с изменением параметров (состояния) материалов, рациональные параметры вибрации имеют свои конкретные значения. Установлено, что рациональные параметры вибрации взаимосвязаны по гиперболическим зависимостям и должны плавно регулироваться. Для таких отраслей АПК, как послеуборочная обработка урожая, животноводство, растениеводство и мелиорация, строительство и дорожное дело, ремонтная техника, и в целом по АПК установлены скоростные факторы гиперболических зависимостей амплитудно-частотных характеристик рациональных режимов, диапазоны и необходимость плавного регулирования частоты и амплитуды колебаний РО вибромашин. Регулирование частоты колебаний РО целесообразно осуществлять электрическим способом приводным асинхронным двигателем за счет изменения частоты тока полупроводниковым преобразователем частоты, регулирование амплитуды колебания РО - саморегулируемым инерционным вибратором с выдвигающимися в зависимости от скорости подпружиненными противодебалансами. В работе рассмотрена особенность проектирования компактной конструкции инерционного саморегулируемого вибратора и конструкции вибратора с равными массами дебалансов.
Ключевые слова: виброобработка, вибромашина, амплитуда, частота, дебаланс, радиус центра масс, скоростной фактор.
BY DESIGN ISSUES OF SELF-REGULATORY INERTIA VIBRATOR ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE THE VIBRATION MACHINE
Experience shows that in many cases the vibration in industrial processes is very useful due to the high
30
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
performance production machines with minimal energy consumption; intensification of tens of hundreds of times of many technological processes: alignment in the same process several functions; the implementation of some processes in which the vibration is critical or without processes generally not feasible or is not cost effective. The main parameters vibration treatment materials considered the frequency and amplitude of the oscillations of the working organ (WO) vibrators. In modern machines, vibratory action used vibration from low (10 MHz) to high (up to 10 kHz) frequencies. Moreover, the low frequencies correspond to large amplitude (from a few to tens of centimeters) high - low amplitude (millimeters and fractions of a millimeter). Research on agro-purpose vibrator show that for each process, as well as changes in the parameters (state) materials, rational vibration parameters have specific values. It was established that the rational parameters of vibration interconnected by a hyperbolic relationship and must be continuously adjusted. For agricultural industries as post-harvest crop, livestock, crops and land improvement, building and transportation business, and repair equipment and a whole set speed on AIC factors hyperbolic dependence of the amplitude-frequency characteristics of the sound modes, Ranges and the need for modulating the frequency and amplitude of the oscillations WO vibrators. Regulation of the oscillation frequency of WO it is advisable to electrically driven induction motor by changing the frequency of the current solid-state drive, the vibration amplitude of WO regulation - self-regulating inertial vibrator with retractable depending on the speed of the spring-loaded inverse of the unbalance. This article examines the design feature of the compact design of the inertial vibrator and self-regulatory structures of the vibrator with equal masses unbalances.
Key words: vibration treatment, vibrator, amplitude, the speed factor.
В результате проведенного анализа порядка 190 исследований вибротехнологий в процессах таких отраслей АПК [1], как послеуборочная обработка, животноводство, растениеводство и мелиорация, строительство и дорожное дело, ремонтная техника, и в целом по АПК нами установлены (см. табл.) скоростные факторы гиперболической зависимости амплитуды от частоты колебаний РО рациональных режимов обработки для указанных отраслей и по АПК, диапазоны и необходимость плавного регулирования частоты и амплитуды колебаний РО вибромашин (ВМ).
Амплитудно-частотные характеристики по кривым регрессии параметров вибрации для процессов указанных отраслей АПК, а также для трех типов семяочистительных ВМ (центробежные (ЦВМ), с плоскими решетами (ПРВМ), фрикционными (ФВМ) РО), для послеуборочных процессов и в целом по АПК приведены на рис. 1. Анализом выявлено, что:
• наиболее исследованы (57%) процессы вибросепарации семян;
• в известных технологических процессах основным источником вибраций (63%) являются инерционные вибраторы [2], получающие привод в основном (71%) от асинхронных двигателей;
• 95% точек рациональных режимов [1] находятся в диапазоне частот 10^52 Гц. На практике установка и корректировка амплитуды РО производятся во время остановки ВМ вручную.
Исходя из вышеизложенного, проектирование саморегулируемого вибратора является актуальным. Особенности проектирования рассмотрим на
frequency, unbalance, the radius of the center of mass,
примере перспективной многорешетной виброзерноочистительной машины (МВЗМ) с винтовым колебанием РО, на которой эффективно разделяется смесь семян более 11 сельхозкультур [4]. У МВЗМ колебания РО могут устанавливаться от простых вертикальных и поворотных колебаний вокруг вертикальной оси до сложных винтовых с углом направленности колебаний соответственно от 0 до 90°. Механическая модель МВЗМ с асинхронным электроприводом и саморегулируемым вибратором приведена на рис. 2.
Вращающий момент со статора на ротор с моментом инерции J1 передается через связь с жесткостью Кд =------- и коэффициентом линейного
7®оТэ
демпфирования Сш =----. Здесь у - условный ко-
эффициент крутизны рабочей ветви статической механической характеристики асинхронного двигателя, равной —-—, и Тэ - электромагнитная постоянная времени. Вращательное движение ротора через упругую одноярусную лепестковую муфту (контрпривод) и клиноременную передачу с жесткостью КП2, приведенным зазором 50 и коэффициентом сопротивления передачи СП2 передается на вал вибратора моментом инерции J2. Вибратор инерционный имеет два горизонтально расположенных вала, установленных в подшипниках. Валы зацеплены между собой парой одинаковых косозубых шестерен и синхронно вращаются в противоположных направлениях. На расстоянии а от оси Z на противоположных концах вала установлены
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014
31
Электротехнические комплексы и системы
Результаты анализа применения вибрации в АПК
Отрасли АПК и типы ВМ По отраслям, % Скоростной фактор V=Av (Аш), 10-2 мс-1 Диапазон регулирования оптимальных параметров Коэффициент плавности К пл
частоты Д , с-1 амплитуды ДА, 10-3 м Частоты, w Амплитуды, А
Растениеводство и мелиорация 12 13,8(86,7) 408-25,1 = 16,25:1 35-1 = 35:1 1,11 1,65
Животноводство 7,7 6,14(38,56) 314-60 = 5,2:1 9-0,1 = 90:1 1,21 1,11
Строительство и дорожное дело 13,6 6.53(41) 314-11 = 28,5:1 32,5-0,5 = 65:1 1,28 1,01
Ремонт техники 9,7 3,06(19,2) 314-42,1 = 7,5:1 3,5-0,4 = 8,75:1 1,32 1,37
Послеуборочные процессы Центробежные (ЦВМ) 57 7,87(49,4) 304-13,5 = 22,52:1 6-1,4 = 4,3:1 1,17 0,867
С плоскими-решетами (ПРВМ) 5,48(34,4) 334,9-60,13 = 5,6:1 5-0,5 = 10:1 1,085 0,988
Фрикционные (ФВМ) 3,681(23,3) 314,2-135 = 2,33:1 2,3-1 = 2,3:1 1,03 1,011
Исследованные техпроцессы АПК 100 6,21(39) 628-12,57 = 50:1 35-0,5 = 70:1 1,11 1,1
Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики вибротехнологий АПК: А = 0,192/ш - ремонт техники;
А = 0,231/ш - фрикционные ВМ (ФВМ); А = 0,344/ю - плоскорешетные ВМ (ПРВМ); А = 0,3856/ю - животноводство; А = 0,39/ю - универсальная ВМ; А = 0,41/ш - строительство и дорожное дело;
А = 0,494/ю - центробежные ВМ (ЦВМ); А = 0,867/ю - растениеводство и мелиорация
32
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Рис. 2. Механическая модель асинхронного электропривода и многорешетной виброзерноочистительной машины с саморегулируемым вибратором
диаметрально противоположно друг другу, с углом первоначальной установки а, по два дебаланса массами ш1 и m2 с радиусом центра масс в состоянии покоя соответственно г и г Динамика подвижного дебаланса m применяемого для ограничения резонанса, подробно рассмотрена рядом исследователей. Поэтому первый дебаланс для упрощения анализа принимаем установленным неподвижно, а второй - выдвигающимся за счет центробежной силы, преодолевающей упругость нелинейной пружины.
Пружина имеет нелинейную характеристику жесткости, обеспечивающую гиперболическую зависимость изменения амплитуды от частоты колебания РО. Выдвижение дебаланса начинается при минимальной частоте юшт рабочего диапазона сепарации семян. Для этого пружина имеет предвари-
тельную деформацию е. При вращении дебалансов со скоростью ю составляющие их центробежных сил создают одновременно колебательное движение РО совместно с вибратором массой ш* и моментом инерции J вдоль и относительно вертикальной оси соответственно с амплитудой Z и углом поворота ф. Колебание РО происходит на пружинах, имеющих жесткость Kz и коэффициент сопротивления перемещению Cz в продольном направлении, а в поперечном направлении жесткость и коэффициент сопротивления перемещению равны соответственно К и С . ф ф
Исходя из гиперболического закона изменения амплитуды А от угловой скорости ю дебалансов [1-3]
А = —, (1)
ш
получено выражение амплитуды РО с радиусом R для зарезонансного режима работы [2, 3]
А - ACmir'-m2l,^sm2 а + mWR4z2 cos* “ = 4(miri~",2P) С = *-^С,
mt v л m, т,
(2)
где C - конструктивный безразмерный параметр МВЗМ, р - радиус центра масс выдвигающегося дебаланса, (шг)э - эквивалентный статический момент инерционного вибратора.
Из (1) и (2) соотношений для граничных параметров диапазона регулирования с юшт = 61,36 рад/с и А до ю = 334,7 рад/с и А (рис. 1) получим
шах шах ? г ^ шт vr ' J
(mr)f“ = сmr)fn =
Атах 771 *
m*V С to min m±V
(3)
(4)
С Сштах
В то же самое время полученные статические моменты определяются центробежными силами 4-х групп противоположно расположенных дебалансов ш1 и ш2 (рис. 2), которые для соответствующих граничных скоростей ю и ю удовлетворяют соот-
А шт шах J А
ношениям:
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014
33
Электротехнические комплексы и системы
2 _
(тг)Г~ (Drain
= 4771^!^ - 4т2г0^п, (5)
(тг)
min , .2 Ш™,
= 4771! ТуС^ - 4т2ртах Щ,
(6)
Преобразовав их, получим систему уравнений:
(тг)™"
= 771^! - 7П2Г0,
(7)
(тг)”
= 771^! - ПТ-2Ртах.
(8)
В процессе проектирования вибратора могут быть поставлены требования разработки компактной конструкции (r; = pmax) или требования конструкции с равными массами дебалансов (m; = m2). Рассмотрим оба случая.
Случай равенства радиусов дебалансов rt=pmax.
Преобразовав систему уравнений (7) и (8), получим
(тг)Г* _____2„ (шг)Гп
mlr0 + '■
■т2 = 771^!
или
2 I m*v 2
т2г0 + 777,—ш2 = тт
4
m„V
■т1
(9)
■771!. (10)
4 CcOmin 4Сй)„
При этом r1 = pmax определяется сочетанием масс m1 и m2 по выражению
Ртах
т\Г\
7712
(тг)™1П
47719
(11)
По полученным выражениям были проведены расчеты для параметров МВЗМ r0 = 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025 м; r1 = 0,1; 0,15; 0,20; 0,25; 0,3 м; m1 = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 кг и V = 0,192; 0,231; 0,344; 0,3856; 0,39; 0,41; 0,494; 0,867 м/с и построены гра-
фики (рис. 3-5). Из рисунков следует, что для всего диапазона изменения радиуса покоя r0 подвижного дебаланса (рис. 3) массы дебалансов m1 и m2 при условии r1 = pmax возрастают незначительно в пределах 4,1% и 10,3% соответственно. Увеличение радиуса r1 неподвижного дебаланса (рис. 4) ведет к уменьшению масс дебалансов по нелинейной зависимости с разной интенсивностью: если m2 уменьшается с 1,95 до 1,4 кг, то m1 уменьшается с 4,3 до 1,85 кг.
Увеличение скоростного фактора V (рис. 5) с 0,192 до 0,867 м/с приводит к интенсивному нелинейному росту масс дебалансов. На интервале с V = 0,192 до V = 0,231 м/с m2 возрастает с 1,0 до 1,5 кг, а m1 - с 1,5 до 2,0 кг. В дальнейшем значение массы подвижного дебаланса m2 остается примерно на одном уровне в пределах 1,64-1,8 кг. При этом масса неподвижного дебаланса m1 возрастет с 2,0 до 4,4 кг.
Случай равенства масс дебалансов mt = m2.
Преобразовав систему уравнений (7) и (8) при условии m1 = m2, получим выражение для максимального радиуса выдвигающегося дебаланса m2 в виде:
Ртах
-Е
(тг)”
(тгГэ
(|2)
или
_ m*V / 1 1 \
РтаХ 4 CmAurnin 0>тах)+Г°.
(13)
Результаты расчетов для указанных выше значений параметров ВМ приведены на рис. 6-8.
Рис. 3. Зависимость масс дебалансов m1 и m2 от радиуса покоя подвижного дебаланса r1 = рм = 0,2 м и V = 0,344 м/с
34
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Рис. 4. Зависимость масс дебалансов и m2 от радиуса неподвижного дебаланса
Г = рм при г0= 0,02 м и V = 0,39 м/с
Рис. 5. Зависимость масс дебалансов и m2 от скоростного фактора
V при г = рм= 0,2 м и г0= 0,02 м
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014
35
Электротехнические комплексы и системы
Рис. 6. Влияние радиуса покоя г0 подвижного дебаланса m2 на его максимальный радиус рм и массы дебалансов mt= m2 при ^= 0,2 м, V = 0,344 м/с
Рис. 7. Влияние радиуса неподвижного дебаланса r на максимальный радиус выдвижения рм дебаланса m2 и массы дебалансов пц= m2 при r0= 0,02 м, V = 0,39 м/с
Влияние радиуса покоя r0 подвижного дебаланса m2 (рис. 6) на массы дебалансов также незначительно, как и в случае г = р . При этом р сначала, в дипазоне r0 от 0,005 до 0,01 м, возрастает с 0,135 до 0,14 м, а затем снижается до 0,12 м при r0 =
0,03 м. При этом массы дебалансов m1 = m2 должны увеличиваться с 3,3 до 3,8 кг. Увеличение радиуса r1 неподвижного дебаланса (рис. 7) с 0,15 до 0,3 м вызывает интенсивный рост pmax с 0,095 до 0,2 м с необходимостью уменьшения масс дебалансов
36
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Рис. 8. Влияние скоростного фактора V на максимальный радиус выдвижения рм дебаланса m2 и массы дебалансов mt= m2 при ^= 0,2 м и г0= 0,02 м
m1 = m2 с 6,0 до 2,5 кг. С ростом скоростного фактора V (рис. 8) постоянство максимального радиуса pmax= 0,144 м обеспечивается при условии интенсивности роста масс дебалансов ш1 = ш2 с 2,0 до 8,99 кг.
Из изложенного выше следует, что результаты проведенных исследований позволяют спроектировать саморегулируемый инерционный вибратор с минимальными массогабаритными характеристиками. Выявлено, что разработка варианта вибратора при равенстве радиусов дебалансов r1 = pmax имеет лучшие массогабаритные показатели. При этом наибольшее влияние на показатели имеют радиус r1 неподвижного дебаланса ш1 и скоростной фактор V.
Список литературы
1. Яруллин Р.Б. Амплитудно-частотные характеристики вибропроцессов в технологиях АПК [Текст] / Р.Б. Яруллин // Научные исследования: информация, анализ, прогноз: 33-я книга коллективной монографии; гл. 17 / Воронеж. гос. пед. ун-т. -Воронеж, 2011. - С. 267-288.
2. Яруллин Р.Б. Повышение эффективности асинхронного электровибропривода с регулируемыми параметрами в технологических процессах АПК (на примере виброзерноочистительных машин) [Текст] / Р.Б. Яруллин: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Челябинск, 2011. - 45 с.
3. Возмилов А.Г. Определение закона и параметров регулирования инерционного вибропривода зерноочистительной машины [Текст] / А.Г. Возми-
лов, Р.Б. Яруллин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Энергетика». - 2011. - Вып. 15. - № 15 - С. 16-17.
4. Яруллин Р.Б. Асинхронный электропривод многорешетной виброзерноочистительной машины с регулируемыми параметрами [Текст] / Р.Б. Яруллин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - Т. 9. - № 1.- С. 52-60.
References
1. Yarullin R.B. Amplitudno-chastotnye harakte-ristiki vibroprocessov v tehnologijah APK pbkst] / R.B. Yarullin // Nauchnye issledovanija: informacija, analiz, prognoz: 33-ja kniga koПektivnоj monografii; gl. 17 / Voronezh. gos. ped. un-t. - Voronezh, 2011. - S. 267-288.
2. Yarullin R.B. Povyshenie effektivnosti asinhronnogo elektrovibroprivoda s reguliruemymi parametrami v tehnologicheskih processah APK (na primere vibrozernoochistitel'nyh mashin) ^ekst] / R.B. Yarullin: avtoref. dis. ... d-ra tehn. nauk. - Cheljabinsk,
2011. - 45 s.
3. Vozmilov A.G. Opredelenie zakona i parametrov regulirovanija inercionnogo vibroprivoda zernoochistitel'noj mashiny ^ekst] / A.G. Vozmilov,
R.B. Yarullin // Vestnik JuUrGU. Ser. «Energetika». -2011. - Vyp. 15. - № 15 - S. 16-17.
4. Yarullin R.B. Asinhronnyj elektroprivod mnogoreshetnoj vibrozernoochistitel'noj mashiny s reguliruemymi parametrami ^ekst] / R.B. Yarullin // Elektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2013. - T 9. - № 1.- S. 52-60.
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014
37
