CC BY
63
УДК 621.86.067
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫМ БУНКЕРНЫМ ЗАГРУЗОЧНЫМ
УСТРОЙСТВОМ
А.М. Сасов
Рассмотрены достоинства, разработанного автором оригинального расходомера для сыпучих материалов работающего в составе вибрационного бункерного загрузочного устройства. Разработана система автоматического управления вибрационным бункерным загрузочным устройством для работы в установках вакуумного напыления тонких пленок из порошковых материалов. Система обеспечивает стабильную скорость подачи порошка на испаритель.
Ключевые слова: вибрация, бункер, загрузочное устройство, резонанс, генератор импульсов, фоторезистор, источник света, автоматизация.
Современные конструкции вибрационных устройств широко применяются практически во всех областях жизнедеятельности человека. Вибрационные бункеры, транспортеры и вибрационные шлифовальные устройства в машиностроении, вибрационные дробилки и сита в горнометаллургической промышленности, вибрационные очистители зерноуборочных комбайнов в сельском хозяйстве. Железнодорожные вагоны оснащают разгрузочными вибраторами сыпучих материалов, вибрационные бе-тонно-уплотнительные машины используют при строительстве зданий, мостов и других сооружений. Вибрационные бункеры применяются в порошковой металлургии. В вакуумных технологических процессах производства электронных и радиотехнических изделий они применяются при изготовлении микрополосковых СВЧ элементов, микросборок и датчиков физических параметров разнообразного оборудования.
Широкий диапазон областей применения вибрации породил соответствующее множество вариантов конструкций генераторов вибрации и исполнительных машин на их основе. Примером использования вибрации в промышленности может служить целая группа вибрационных бункерных загрузочных устройств (ВБЗУ). Среди них наиболее многочисленны конструкции ВБЗУ осуществляющие подачу заготовок в зону их обработки на технологическом оборудовании или подачу деталей на сборочные операции. Теоретические принципы транспортирования объектов перемещения в вибрационных бункерных загрузочных устройствах в полной мере описаны в работе «Автоматическая загрузка технологических машин» [1]. Там же приведены методики расчетов всех узлов и основных конструкционных элементов всей обширной гаммы вибрационных траспортных устройств, используемых для перемещения и ориентации в пространстве различных заготовок и деталей.
Однако, к некоторым разновидностям ВБЗУ, работающих с сыпучими материалами, предъявляются дополнительные требования. Так в процессе вакуумного испарения порошковых материалов, с целью получе-
ния тонкопленочных элементов радиотехнических и электронных устройств, необходимо обеспечивать стабильную скорость подачи порошка на испаритель. При этом скорость расхода порошка, в зависимости от марки материала, выбирается в диапазоне, от 5,8х10"3 г/сек, до 27х10"3 г/сек. Вследствие заданной низкой скорости выдачи сыпучего материала ВБЗУ, его необходимо оснастить, во-первых, измерителем скорости расхода порошка повышенной чувствительности. Во-вторых, устройством способным стабилизировать режим работы ВБЗУ, обеспечивающий постоянство скорости выдачи материала. Реализация этих требований возможна в случае полной автоматизации загрузочного устройства.
Задача, последовательно решалась на типовом ВБЗУ с электромагнитным приводом, которым комплектуются установки вакуумного напыления УВН-71- П3. Штатное ВБЗУ работает от однополупериодного выпрямителя переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц. Подачу порошка на испаритель контролируют визуально, через иллюминатор вакуумной камеры, а скорость его расхода регулируют изменением напряжения поступающего на обмотку электромагнита. Наибольшая производительность ВБЗУ реализуется в режиме резонанса бункера. Настройку колебательной системы производят путем подбора плоских пружин при изготовлении ВБЗУ.
Удельные плотности материала каждой марки используемого порошка существенно отличаются между собой. Поэтому масса заполненой чашки ВБЗУ при переходе работы с другим материалом, при том же объеме, будет значительно изменяться. Соответственно и собственная частота колебания чашки для каждого материала будет различна, в то время как частота напряжения, питающего электромагнит остается всегда неизменной. В итоге, колебательная система выходит из резонанса, амплитуда колебаний чашки уменьшается и, как следствие, скорость расхода порошка падает.
По мере освобождения чашки от порошка частота колебательной системы приближается к резонансной частоте и расход порошка произвольно увеличивается. При визуальном контроле скорость выдачи сыпучего материала из бункера, регулируют вручную, путем изменения амплитуды напряжения, питающего электромагнит. Однако, такой способ управления ВБЗУ не обеспечивает стабильности потока порошка, подаваемого на испаритель, и, как следствие, негативно сказывается на воспроизведении свойств конденсированных пленок.
Расходомер сыпучих материалов. Чтобы избавиться от недостатков системы управления режимом работы ВБЗУ в ручном режиме, необходимо при непрерывно изменяющейся массе бункера удерживать его колебания на резонансной частоте. Для этого важно, прежде всего, с высокой точностью измерять амплитуду вибрации бункера. Этот вопрос детально рассмотрен в монографии Ю.И. Иориша «Виброметрия» [2]. Он приводит конструкции и расчеты практически, всех реально осуществимых методов измерения вибрации. Следует отметить, что наиболее про-
стую конструкцию имеют электромагнитные датчики. К их достоинствам относятся высокая чувствительность, надежность и стабильность работы. Руководствуясь этими соображениями, для оснащения типового ВБЗУ был выбран расходомер сыпучих материалов, работающий по этому принципу [3]. Конструкция загрузочного устройства и схема расходомера приведена на рис. 1, а.
Типовое ВБЗУ содержит цилиндрический бункер 1 с однозаходным спиральным лотком и расходным патрубком 2. Бункер закреплен на якоре 3, удерживаемом над электромагнитом 4 при помощи трех смещенных относительно друг друга на 120° плоских пружин 5, закрепленных на основании 6, наклонно относительно вертикальной оси якоря 3.
Непосредственная доработка бункера заключалась в следующем. На диаметрально противоположной стороне от расходного патрубка 2, на бункере 1, закреплена штанга 7 с постоянным магнитом 8 из сплава КС37А, в виде стержня сечением 1,5*1,5 миллиметра. На основании 6, загрузочного устройства, закреплен кронштейн 9 несущий диэлектрическую плату с катушкой индуктивности 10, расположенной таким образом, что в момент отсутствия тока, протекающего через обмотку электромагнита 4, бункер 1 находится в состоянии покоя, и магнит 7 максимально удален от катушки 8, рис.1, б.
В момент прохождения через обмотку электромагнита импульса тока чашка поворачивается на угол а, при этом магнит вводится в катушку индуктивности. Его магнитное поле, пересекая витки катушки, наводит в них ЭДС. Чем больше амплитуда колебаний чашки, тем больше величина угла а, тем глубже магнит погружается в катушку, тем большее число витков будет взаимодействовать с магнитным полем и, значит, больше будет величина ЭДС. В момент окончания импульса тока чашка под воздействием пружин 5 возвращается в исходное состояние. При обратном ходе постоянного магнита ЭДС на выходах катушки изменяет свою полярность.
Таким образом, при работе ВБЗУ на выходах катушки возникает переменное напряжение, которое подается на полупроводниковый выпрямитель 11. К выходу выпрямителя подключен конденсатор 12, который заряжается пульсирующим напряжением до его амплитудного значения. Измерение его величины осуществляется измерительным прибором 13. Величина измеряемого напряжения пропорциональна амплитуде колебаний
113
чашки и поэтому является показателем скорости расхода сыпучего материала из чашки. Замена визуального контроля над расходом сыпучего материала инструментальным контролем, способствует улучшению технологического процесса, но не решает главной задачи - автоматизации ВБЗУ.
Вибрационное устройство для выдачи сыпучих материалов. Однако датчик расходомера можно использовать в системе управления загрузочным устройством [4], блок-схема которого приведена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема управления ВБЗУ
Устройство работает следующим образом. В момент включения его колебательная система, состоящая из бункера 1 и электромагнита 2, загруженного расходуемым сыпучим материалов, находится в состоянии покоя. На выходе датчика вибрации 3 в это время сигнал отсутствует и, соответственно, его нет на выходах усилителя 4 и сглаживающего фильтра 5. Режим работы регулирующего элемента 6, который может представлять собой усилитель тока, задан таким, что при отсутствии сигнала на входе ток на его выходе имеет наибольшую величину. В этом случае частота следования импульсов, вырабатываемых управляемым генератором импульсов 8 [5], задается параметрами его внутренней времязадающей ячейки и величиной тока, поступающего на вход управления частотой. Чем больше ток, тем больше частота, и наоборот.
С выхода генератора импульсы подаются на вход коммутирующего элемента 10, выполненного на транзисторе, в коллекторную цепь которого включены последовательно задатчик амплитуды вибрации 11 и катушка электромагнита 2. Под воздействием импульсов колебательная система бункера приходит в движение. Вследствие этого на выходе датчика вибрации появляется сигнал. Он поступает на усилитель 4, усиливается и сглаживающим фильтром 5 преобразуется в постоянный ток, который подается на вход регулирующего элемента 6, а с его выхода - на вход управления частотой генератора импульсов. В результате частота генерируемых импульсов изменяется.
Настройка генератора в резонанс с колебательной системой вибропитателя производится с помощью задатчика резонанса, который включен во времязадающую ячейку этого генератора. Момент резонанса определяют по показанию индикатора резонанса 7. Таким образом, положение резонанса является результатом одновременного воздействия сигналов от датчика вибрации и от задатчика резонанса на времязадающую ячейку генератора импульсов. Установившийся режим обеспечивает стабильную работу ВБЗУ без последующих ручных регулировок.
114
Автоматическая стабилизация скорости истечения сыпучих материалов из чашки вибропитателя происходит следующим образом. По мере расхода сыпучего материала масса колеблющейся части бункера уменьшается. Поэтому собственная частота колебательной системы, бункера сдвигается в сторону увеличения частоты, в то время как частота вынужденных колебаний, т.е. частота вырабатываемых генератором импульсов, остается неизменной. В результате этого рассогласования резонанс пропадает, амплитуда колебаний чашки сокращается, сигнал на выходе датчика вибрации уменьшается, а ток на выходе регулирующего элемента увеличивается, что, в свою очередь, вызывает увеличение частоты генерируемых импульсов.
В итоге, амплитуда колебаний увеличивается, и на выходе датчика сигнал опять достигает пикового значения. Таким образом, происходит самоподстройка колебательной системы в резонанс, обеспечивая, тем самым, стабильность амплитуды колебаний бункера и соответственно скорости истечения сыпучего материала. В качестве задатчика скорости истечения сыпучего материала используют задатчик амплитуды вибрации, представляющий собой переменный резистор, соединенный последовательно с катушкой вибрационного электромагнита. Мощность импульса тока, поступающего от коммутирующего элемента, распределяется между этими двумя элементами.
Поэтому, изменяя сопротивление резистора, можно регулировать амплитуду колебаний чашки, задавая, таким образом, уставку скорости расхода сыпучего материала. Следует отметить, что регулировки уставки никоим образом не влияют на частоту генерируемых импульсов. Колебательная система бункера всегда работает на резонансной частоте, что делает ее очень чувствительной к изменению собственной массы. За счет обратной связи, осуществляется непрерывная автоподстройка частоты, обеспечивающая стабилизацию амплитуды колебаний бункера, а, следовательно, и скорости истечения сыпучих материалов.
Принцип работы системы автоматического управления ВБЗУ. Пример практической реализации этой системы приведен на рис. 3. Она содержит бункер 1, якорь электромагнита 2, катушку электромагнита 3, электромагнитный датчик вибрации 4, усилитель 5 собранный на транзисторах УТ1-П307В, УТ2-КТ601Л и резисторы Я/-Зк, Я2, Я3 - 680, Я4 - 300, конденсаторы С1 -30,0мкФ, С2-20,0мкф. Слаживающий фильтр 6 состоит из диодов УБ1, УШ-КБ510Л и конденсатора С3-10,0мкф. В качестве регулирующего элемента 7 используется транзистор 5 УТ3-КТ608, резистор Я5-300, ^6-Сп.3-13а-10 Ом. Индикатор резонанса 8 представляет собой стрелочный прибор РУ- типа М2003, конденсатор С4-1,0мкф. Управляемый генератор импульсов 9 собран на микросхеме ББ-К155ЛЛ3. Задатчик резонансной частоты 10 представляет собой источник света НЬ2. Коммутирующий элемент 11 выполнен на транзисторах УТ4 и УТ5 -2Т875Б.
Частота импульсов, вырабатываемых генератором, определяется элементами времязадающей ячейки. Она составлена из Я9-1.5к, Я8-10к, конденсатора С5-5,0мкФ, Я7 - фоторезистора СФ2-5, сопротивление кото-
115
рого изменяется в зависимости от суммарной интенсивности световых потоков от ламп накаливания ИЬ1 и ИЬ2 марки СМН5-80, которые в силу их функций также входят в состав времязадающей ячейки.
Рис. 3. Система автоматического управления ВБЗУ
Перед включением ВБЗУ колебательная система бункера, загруженного расходуемым сыпучим материалом, находится в покое. Поэтому на выходе датчика вибрации сигнал отсутствует. После подачи напряжения транзистор УТ3 открывается, ток через лампу ИЬ1 достигает максимального значения. Эта часть схемы преобразует амплитуду колебания бункера в световой поток, падающий на фоторезистор. Частота генерируемых импульсов определяется величинами Я9, Яб, Я8, С5 и фоторезистора Я7, сопротивление которого зависит от суммарной интенсивности световых потоков, излучаемых ИЬ1 и ИЬ2.
С выхода генератора импульсы через коммутирующий элемент УТ4 и задатчик амплитуды УТ5 поступают на катушку электромагнита 3 и возбуждают колебательную систему бункера. В результате на выходе вибродатчика появляется сигнал, который поступает на усилитель (транзисторы УТ1, УТ2), затем преобразуется в постоянное напряжение сглаживающим фильтром (У01, УЭ2 и СЗ) и поступает на вход управляющего элемента (УТ3). Вследствие этого, ток через транзистор УТ3 уменьшается, интенсивность свечения ИЬ1 снижается, сопротивление фоторезистора Я7 увеличивается, а частота импульсов на выходе генератора уменьшается. Так колебательная система бункера входит в режим резонанса.
По мере расхода сыпучего материала масса колеблющейся части ВБЗУ уменьшается, и частота его собственных колебаний сдвигается в сторону увеличения частоты, т.е. уходит от положения резонанса. В результате этого, амплитуда на выходе датчика вибрации уменьшается, ток через транзистор УТ3 увеличивается, интенсивность свечения ИЬ1 растет, сопротивление Я7 уменьшается. Вследствие этого частота генерирующих
импульсов увеличивается, подстраивая частоту вынужденных колебаний под частоту собственных колебаний, обеспечивая, тем самым, стабильность положения резонанса.
Выборка рабочей резонансной частоты для каждой марки сыпучего материала происходит за счет изменения тока лампы подсветки HL2. Амплитуда колебаний бункера работающего в режиме резонанса регулируется транзистором VT5. Необходимо отметить, что регулирование рабочей резонансной частоты бункера никак не связано с регулировкой амплитудой его колебаний. Управление этими эксплуатационными параметрами ВБЗУ осуществляется раздельно, через интерфейс по командам от ЭВМ. Так реализована система автоматического управления вибрационным бункерным загрузочным устройством.
Выводы.
Предложенная схема управления вибрационным загрузочным устройством в ручном режиме, способствует повышению стабильности скорости выдачи сыпучих материалов на испаритель технологической вакуумной установки.
Стабилизация скорости подачи порошковых материалов на испаритель, улучшает качество параметров конденсированных тонкопленочных структур. В итоге это приводит к повышению процента выхода годных изделий.
Система автоматического управления ВБЗУ позволяет полностью автоматизировать технологический процесс напыления тонкопленочных структур для радиотехнических, электронных изделий и датчиков физических параметров.
Список литературы
1. Автоматическая загрузка технологических машин: справочник / И.С. Бляхеров, Г.М. Варьяш, А.А. Иванов и др.; под общ. ред. И.А. Клусо-ва. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.
2. Иориш Ю.И. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы. 2-е изд., перераб., доп. М.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностроит. лит., 1963. 773 с.
3. Патент РФ 93040364/28 Расходомер Сасова / А.М. Сасов. Опубл. 10.08.98. Бюл. № 22.
4. Патент РФ 94021393/28. Электровибрационное устройство / А.М. Сасов. Опубл. 27.07.98. Бюл. № 21.
5. Патент РФ 4892554/09. Управляемый генератор импульсов / А.М. Сасов. Опубл. 27.12.96. Бюл. № 36.
Сасов Анатолий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Протвино, Филиал ««Протвино» государственного университета ««Дубна»
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR VIBRATION BUNKER LOADING DEVICE
A.M. Sasov 117
The advantages developed by the author of the original flow meter for bulk materials working as part of a vibratory bunker loading device are considered. The system of automatic control of the vibratory bunker loading device for working in vacuum spraying installations for thin films of powder materials has been developed. The system provides a stable feed rate of the powder to the evaporator.
Key words: vibration, bunker, boot device, resonance, pulse generator, photoresistor, light source, automation.
Sasov Anatoly Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Protvino, Protvino Branch of Dubna State University
УДК 621.979; 621.9
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛЧКА ДЛЯ СРЕДНЕГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
МЯСНОГО СЫРЬЯ
Е.И. Артёмова
Рассматриваются вопросы совершенствования и оценки основных параметров волчка для среднего измельчения мясного сырья.
Ключевые слова: волчок, измельчение мясного сырья, среднее измельчение, производительность, мощность, напряжение.
Самую большую долю мясной отрасли занимает производство различных видов колбасных изделий [1]. Среднее измельчение является одной из основных операций при производстве таких изделий, которая осуществляется в волчках.
Волчок состоит из питающего и режущего механизмов. Принцип действия всех волчков одинаков и заключается в следующем. Мясное сырье поступает в бункер, затем с помощью шнека перемещается в область расположения режущего механизма, в котором оно измельчается до требуемого i [2].
Основными показателями волчка являются производительность и мощность. Шнек, решетки и ножи являются рабочими органами волчка, которые отвечают не только за качество и степень измельчения мясного сырья, но и за его производительность. Производительность волчка можно повысить путем увеличения наружного диаметра шнека с 120 мм до 180 мм, не изменяя при этом его внутренний диаметр.
Прежде чем исследовать основные показатели данного оборудования, необходимо построить график зависимости эквивалентного напряжения, который покажет при каком диаметре шнека и его частоты вращения вал шнека выдержит нагрузку.
