Разработка и исследование вибропривода с ударным параметрическим возбуждением Косулин, Константин Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность тс;яі. Автоматизация загрузки технологического оборудования и моянперзшюшюга тртаїснартироЕзіїия датзлей яьля-ется важиш направлением автоматизация машиностроительного производства, так как позволяет использовать имовдееся високоіфоизво-дительное оборудование с нвимоныпимк иоторялм катшшого арамчпя и сішхением доли шзколсвалиСщироватюго ручного труда.

Электромагнитный ь»:бр-ционшй привод (ВП) с вняуздонинм еоз-' буадешіем гвриошчэских колебания традиционно используется б ааг-рузочішх и трвнсігарткрущкх устройствах я по претерпел нркнципи-альшіх измаїюяий на протяжения іюелодлих лот.

Реализация закона колебаний рабочего органа (РО) вибронрино-да, близкого к идеальным законом вибрационного транспортирования, позволяет увеличить скорость транспортирования деталей и производительность вибрационных загрузочных и транспортирующих устройств.

Негармонические колебания, близкие к идеальным, законам транспортирования, теоретически уогут бить получены при удзрпом параметрическом возбуждении колебательной системы. Теория и практика конструирования таких систем разработана для радиоэлектронных устройств. Результата этих исследований кэ могут использоваться для конструирования колебательных систем электромагнитных ВП, так как электромагнитные колебательные система, в отличие от радиоэлектрогашх устройств, обладают неланойностьо и кетют электромагнитную постояпнуп времена, соиа.лркмув с величиной периода колебаний.

Таким образом» разработка и исследование ВП с ударним параметрическим возбуздеігаом колебаний рабочего органа, близких к идеальным законам шбротрааспортароьаяия, является актуальной.

Цель работ». Разработка эдекгрсыагнкткого вибрационного привода с ударним парскэтркчвсккм Еозбугд'знизм, раадизупдего закон

- 4 -колебаний рабочеі-о органа Слизкий к идеальным законам вибрацион-ного транспортирования, и исследование рзкимов его работы.

Методы исследования. При теоретическом исследовании БП использованы аналитические методо теории автоматического регулирования и теории колебания. Б процессе исследования нелинейной системи ВП использовано сочетание аналитических к експериментальних методов с применением математических и физических моделе Л.

Научная новизна. На основе анализа ударного параметрического резонанса в БЛ с электромагнитном элементом жесткости синтезирован закон управления частотой собственных колебаний ГП, обеспечивающий движение РО БП. близкое к идеальным законам м"5рац:ютіого транспортирования. Получена математическая модель и иссл^дэьпно влияние параметров электромагнитного ударного параметрического ЕП на условия возбувдеккя колебательного процесса, получены области автсстабилизацпп амплитуда колебаний РО ВП. Рачработан экспериментальный электромагнитный ударный параметрический Ш и предложена методика ргс инженерного проектирования.

Практическая ценность. В результате проведенных ;'і'^-;\яедог,:іш:й разработаны рекомендации по виоорі основных параметров ударного параметрического ВП для обеспечения устойчивого возбуждения колебательного процесса , близкого но форме к идеальному закону транспортирования с ограниченным ускорением. Предложена серия конструкции вибрационных бункерных загрузочных устройств с ударными параметрическими внброприводами.

Апробация работы. Основные положения я результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Волгоградского нолитехничзсксого инсто:;;-"а (Волгоград, 19в?-19Э1 г.), Республиканской наушо-техническол койїеренцаи "Прооламы автоматизации перенастраиваемых устройств в машиностроении" (Волгоград, 1S3S г.). Межреспубликанской начао-технической г^оршпдь. "Проблемы автоматизации технологических процессов в

машиностроении" (Волгоград, 1989 г.), Всессхянсн научно-тнхга-ческом семинаре "Методы интенсификация проязводстп в ирийорост-роонии" (Терлополь, 1990 г.), Всесоюзной научно-техтиэскои конференции "Fecypco-, энергосберегающие и наукоемкие технологии в малино- и приборостроении" (Нальчик. 199' г).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликоваьи в четырех печатных работах и четырех авторских свидетельствах.

Обгем работа. Диссертвционнзя работа изложена на 123 страницах мапинописного текста. иллюстрируется 73 рисунками. 2 таблицами и состоит из взедеііая. вести глав, общих енподов, списка использованной литературы из 103 наименований и одного приложения' на 12 страницах.

На защиту выносятся :

гипотеза о возможности аппроксимации идеального закона вибрационного транспортирования ударным! параметрическими колебаниями;

математическая модель электромагнитного вибрационного при-вэдп с ударным параметрическим возбуждением в виде нелинейного дИ'Меренилального уравнения второго перлдка с переменными коэффициентами;

результаты теоретических и экспериментальных исследований условия возбувдения колебаний рабочего органа ЕиСропривсда с ударным параметрический возбуждением;

новые конструкція виЗрационкні бункерных загрузочных устройств с ударным параметрическим гидроприводом, обетечиващие существенное поЕіяенив скорости транспортирования деталей по сравнению с устройствами с гарноьтггзеккм приводом, и' иккяньргуз методику их проектирования.

Во введении раскрывается актуальность теми в сьяза с проблемами ловшіения скорости транспортирования вибрадюшшх загрузочных и транспортируюгдх устройств.

В первой главе проводон анализ современник тенденцій развития исследований Б области ВП для Цилій вибрационного транспортирования и загрузки. Обоснована цель и сформулированы задачи исследования. Показано, что применение п вибрационных загрузочных и ті іінспорптрущи'» устройствах электромагнитных ВП г. законами колебаний РО , Слизкими к идеальным, позволяет' повисить скорость транспортирования детале Я по сравнению с гармоническим электромагнитным БП. Однако, технически реализованные цриблиггття закона колебаний РО ВП к идеалыоа» законам транспортирования (игшігагмо-ническ::5 и Биброудоршй законы) обладают сущестгошшми недостаткам!!, сужающими область применения данных устройств.

Пронзра; 'її анализ извэсткых теоретических методов {івализацни ногар,.:о:гаческих законов ікиибаїшп. УсНшовлепо. что колебания, близкие, к идеальным законам транспортирования.могут буть получены в случае функциональней зависимости жесткости от голодания и спорости РО ВП. Техническая реализация таких устройстр трвйует ыло-чения в іюстсе ВП системы регулирования жесткости в зависимости от положения и скорости РО , что не целесообразно экономически.

Установлено, что негармонические колебания такке возникают в колебательная системе с ударным параметрическим возоукдениом, что примсняс-тся в радиоэлектронных устройствах для генерации сигналов носину скидальної* дормы.

Исследование условии возбуждения ударних параметрических колебаний в блектромаїтсітном ВИ с учетом ого особенностей и принци-л-ального отличия от влектрогтгых схем в известных литературных источниках не обнаружено*

Таккв не ясслодсгена вопроси гэхпячэсноа рэплазе 'дпі удзрногс парамзтрического возбуждения алэктрохвханячоскиг cac-reu н галучв-ніія колобений электромагнитного ЕП, Слізних к вдонлшм законам вибрецаеїзЕаго транспортирования.

Б соотеєтстпия с результатами аналааа ц цэльа работа Ошш сформулированы слэдупдав задачи ксс.гадовшая:

1. Анализ ударного пврамотричвскаго раоскпіїсз в здоктрокаг-штном вибртаршіодо и снято з закона уоташюиая частотой собетвен-ішх колебаний, обэспэчиЕцггйго. закон колобнндй робочою органа вкоропркводз, олизкпл к идеальным законам вибрационного транспортирования.

2. Исследование влиття пзрамзтроп одзктроглагязтБСГо ударного псраиатрического вкороирішода на условия вазбуздокка изгерио-кзческюс колзбений рабочего органа пабрсправода. /

3. Наховдога» областей ввтоетабітакзацйи амплитуда колебаний рабочего органа ударного параметрического Еноропрпгода.

4. Разработка к исслздовалкэ зксдариледтальиого образца олзктрсмзпттпого ударного параметрического Епброаригода для целей вибрационной загрузки а грглсжрткрозгшгя дэтзлзЭ.

5. Разработка кэтодшя проектирования элоктрсмагнатяого еи6-ропріїзодз с ударним пяракотрическЕм 2озбуг<дшгаем колебаний.

Во второй гльвэ нрзведэн анализ ядзалыых заколов з вибср базового закона для екпроасямаппа ого удпрккка иараадтрнчосюжа колэбггшй.я, получена закономерность ззмаэзиия но времена удзрпо-го Еозбуздзютго параметра (частої;, собстезаких тазо'ззлй), обеспечигавцая кшзімадшоа огхлонзнпз ударил пареьвгрячэсайг ко-Лабенпй от базового эдзальнсго зысезз а прэдлозэа гэаоя управления всабуглахлим першиэтрем, кз оенсаагаа которое сгятегпрояааа структурная C2S:,?2 ударного перзкэтрачвехото ЕЛ.

В качества бапозогс згхена для слзтозз удврного вораметря-чэсясого ЕП претят вдээльккй ззкоз с са-рэкзченишл ?c«psHae», «о-

- a -

горой по сравнению с идеальным законом с ограначеинш перзмещени-ем обеспечивает большую скорость транспортирования и учитывает специфику электромагнитного элемента жесткости.

Для подтверждения гипотезы о возможности аппроксимации идеального закона вибрационного транспортирования ударными параметрическими колебаниями получено аналитическое решение уравнения

колебаний РО ВП при ударном параметрическом возбуждении : -6t

A_te tw_it+i})₁] , при CKtst

Ф =

-C(t-t.) ⁽¹⁾

А_ге ^(і-^)^] , при t_t

где ф -угловое перемещение рабочего органа вибропривода.

О -коэффициент демпфирования колебаний; (|>_J ,ф₇-фазовий сдвиг на интервалгх 10,tl ],Ш ,Ї1 соответственно; us_t ,w₂-рабочие частоты на интервалах 30, tl] и 3t1 ,Г1.

В качестве критерия оптимальности шшроксишрующой функции использован интегральный критерий качества, представляющий определенный интеграл квадрата разноста угловой скорости РО ВЛ при ударном параметрическом возбуждении и- угловой скорости при идеальном законе транспортирования с ограниченным ускорением, . при выполнении условия периодичности.

Угловая скорость up! идеальном законе с ограниченным ускорении и оптимальные кривые изменеїшя угловой скорости РО и возбуждающего параметра (частоти собственных колебаний) ударного параметрического ВП приведены на рис.1 , при этом погрешность аппроксимация не превышает 15.

Анализ функции угловой скорости РО ВП и частоты собственных колебаний показывает, что ударное параметрическое возбуждение колебательной системы ВЛ может быть получено при формировании сигнала переключения частот собственных колебаний,как сигнала обратной связи, в зависимости от знака скорости (направления дзижения) РО'Р¹¹, что может Сыть достаточно просто реализовано технически. Установ чипе, что для возбуждения ударных параметрических колэба-

ний необходимо рзед'лтз запаздывания мс^цу номеятом изменения

енвкэ гчорости и изменениям уровня частоты собственных колебаний.

В этом случае закон упрашюкия возоуздающим параметром

(частоїой собстсыпшх колебаний) имеет слэдуговдЛ ьид:

и , при Ф(1-т)>0

(2) ь>₂. при

Структурная схема ударного параметрического БП с электромагнитным элементам жесткости приведена на рис.2. БП содоркит основание t и электро.мапштннЯ элемент жесткости . вшолнвшшП в гиде статора с с обмоткой, закрепленного на оснозании I, взаимодействующего посредством магнитного поля.с якорем 3. Система управления ВЛ выполнена в виде последовательно включенных блоков

«

датчика знака скорости ДЗС, элемента задерткл 33 и силового пре-сбразоват^ля Clip, который обеспечішает два уровня питания электромагнитного элемента жесткости.

И.ТШ5'МЗ-.ЕЛ^5 получена математическая модель вибрационного лрнподт с ударним параметрическим пэзбуздением и исследованы условия возбуждения колобсітГ: в математической модєли с лшіеари-зованн?!! нелинейной характеристикой электромагнитного элемента кесткости.

Движение РО ударного параметрического ВЛ описывается нелинейным дайврвн! шальным уравнением 2 поряді'.а с пешм-эшп.т-м коэффициентами:

\ + гсф + ы*(П/(Ф) = о ; (г,

ч. <*>= \i : (*)

ы_х, при (j(t-t)>0

01 =

(5)

ы_г, при ф(і-;)<С

где ш () - частота собственных колебали системы,определяемая током элемента электрэмагяг.тчой меткости; к, - коэОфчдонт, опгздвлягмий конструюцзеи элемента влоктоомагкзткоЯ звестксотя (.чатэряал магаитепровола.

1—і—Н

0 8 І/Т

Рис! Кривые угловой скорости при идеагьном ззкоче колебании с ограниченным ускорением ( и при ударном пдрэ-етрическом возбужпении вибропризояа (р.

Гис.2 Структурная схема усарчогс параметрического еибропризопа с электромагнитным элементом ЖЙСТК1Ч.ТИ.

количество ВИТКОВ сСмогки,число пар полюсов -л т.д.): /(ф) - нелинейная фушщчя , характеризующая зависимость возвращающего момента элемента электромагнитной жесткости от уїла отклонопчя подвихной части от положения равновесия. При лпнварцгзции нолинзиной фунгаци /(Ф) даййрсшдеальпое уравнение (3) лринимаот следующий вид:

ф + 2бф > u(«) $ = О . (6)

Тогда выражения для углового перемощення и скорости рабочего органа ВП в о0щ2м случав для -\абого из і участков на периоде колебаний Т имеют вид :

\{V)=b. |ф_1осоз w_tf + jjiS 3lnu_tf| ; (7)

Ф,(Г )=^*|(ф_1в-вф₁₀)соа -_Ulf + [^ + «_leUl]eln_UlfJ.(3)

где co_t - рабочая частота колебаний РО ВИ на 1 участке, связала с частотой собственных колебаний РО ь> соотношением:

ф₍^,ф.₀ - начальшэ условия по угловой скорости и перемещении на 1 участке:

t' - продолжительность і участка; V - текущее времг на 1 участке: t'=t-t*__t. (11) Продолжительность каждого из участков можно определить согласно вврагешкв : - .

Ч; = -L arctg —*^to * ^¹— + х (12)

Ч ф. ы. + Сф. /и

На основании уравнений (7-1С) с пшоїцьв метода ьрипасэЕЫяа-

нзя построен итерационный алгоритм и разработаьы протямга "^п"

ЭВМ, о помощь» которых исследовало ьишшэ коэффициента дємлфиро-

вания, ьрекэяи запаздывания и уровней частот собственных колеба-

нлй ііа услоьия ьозбувдешя колебали» с линеаризованной модели Области возбуждения колебаний представлены на рис.З.

Установлено, что іфи введении относительных единиц врсме запаэднванкя, определяошх как отношение абсолютного значен промочи запаздывания к величино полупериода иянбольгой часте собственна* колебаний, граішни ооластей возбуждения колеба;; иноют линейшй характер.

Исследование показало , что г. линеаризованной модели БП і: Bijiiij-»' значений параметров внутри области возбулщенил колеоані' наблюдается нйиграничеильВ рост амп.ипуды колебаний. УстоСчиг колеЯлтелышй процесе может бить і кіл у чек только на границе с ласти іідаЛі'здрлмя колебаний, чтг троОуот введения доиолнительнс ьонтура сгабилизацни амплітуди колебаний.

В четвертой глар.е с помощью метода численного моделироваш¹ иссЛ'.'дЬьакн условия возбуждения колебаний в ударном iuipaver] Ч'..-kcm МІ с нелинейной .характеристикой электромагнитного олемеї.

H'tl.riKi'CVH.

і'сслі'Дор-пн: нелішейние характеристики электромагнитных sj ментов хесткости с активним и пасспышм якорем различие конструктивного исполнения. Уетынозлено, что в предела* УДВСЙЩ ширшш полисного деления оші могут сьігь аппроксимированы функщ синусоидального вида со среднеквадратичной ошибкой,не лревыиэхк 101, что позволило использовать ее при исследовании влияния hoj нейпости элемента адектроыапштной жесткости на условия возбуиу ния колеПямий в ударном параметрическом ВП.

Структурная схема нелинейной модєліі ударного порамэтрлчеа iv Г.І! приведена на pne.-t. Модьлиронаниом на ЭВМ СЫ 1420 с цомои прс-гр-омин численного моделиропигя МЛСС получены области возбз деты колебаний в не.шнейной модели при изменении относителык врі'М.'.чи запаздывания в диапазоне от 0.1 до 0.9 при кооїЯяияеі демпфирования С ptw'c.

ІЗ -

Ct/\ pog/c

20 40 бо to ISO 120

Рис.3. Области возбуждения колебаний в ударном параметрическом виброприводе пои коэффициенте демпфирования 5 =4 ран/с

1. - оремя запаздывания т =С0¹с

2. - эремн запаздызания т.=00':5с.

3. - вреия запаздывания т =0.02с.

4. - вреня запаздыоэния т rOUic

Тр-1 Г

-ST\

_ )

_{ІЬ^ЖІ—1„- S}

-|-1 У- р"Х2

f-re—

Рис'.. Структурная сх.;мг модели нелинейного ударного порамэтрического зибролриэош.

Остановлено,что в диапазоне изменения относительного времен запаздывания от 0.4 до 0.9 при увеличении амплитуда колебаний об .часть возбуаушння колебаний расширяется, а в диапазоне от 0.1 д< 0.4 - сжимается. Второй эффект позволяет осуществить автостабили зицпв ачалнтуди колебаний F0 БП.

Исследовано влияіше электромагнитной постоянной времени нр питании элемента жесткости от регулируемого источника напряжения При значениях постоянной времени электромагнитной цепи до 0. величины по.пупериода нанблльзей кз частотсоСствендцх колебаний В од влияние на условия гозоувдения колебаний эквивалентно введеш! дополнительного времени заиаздкрання при линейной зависимзет между !!іі;аи.

И пятой главо приводится методика и результати эксперкмен тальной проверки достоверности теоретических ВЫВОДОВ.

Рассчитана к адспврикзнтально определены параметры кодеба

тельной систеш установки для исследования ударного параметри

ческого виброііривода.

с Эксиериментлпью полученная недкнчйиза тяговая характерней!

ка злемокта электромагнитной жесткости ЕП аппроксимируется сі:

нусопдальной функцией со среднеквадратичным отклоненном 2% , чі

соответствует результатам теоретического исследования вида иол::

ценности характеристики слектромагніїі-ногс элемента жесткости.

Получены експериментальная кривые углоьий скорости РО ВП щ наличии ирудини малой жесткости (для обеспечения нижнего урозі. частоты собстлешых колебаний) и токе обмотки злнктромагштної злемонта жесткости ої 9 до 14Л.

Сравнение окспериментальшх зависимостей угловой скорости результатами численного моделирования ігри значениях параметре математической медзли,соответствующих эксперименту, показало, ч' отк..ог;енпе численних расчетов от дащінх зкепервкзнтг составляс не более 4 5.. Из выявлено также качественна* отличий вида пел:

- 15 -чошшх критих. Это позволило вделать заключение о корректности математической модели и достоверности получениях тееритическак результатов.

В шестой гдагэ дается описание конструкций и принципа работ;» ЕпЗрационных бункерных загрузочных устройств (ЮЗУ) с удар:п«.«» параметрическими ВГЇ электромлпштного и пьезоэлектрического типов, а также методика инженерного проектирование элэктромлгаиткш: ударних параметрических ЕП.

В электромагнитном РПЗУ Г6) чага со стгральям* лотксч закроплена на споре качегяя нч реактивной массэ о еоьксззтостью вра-це.чия. Fn негармонических колебашй! ьшіояяек в шгде кольцевого электромагнита , закреьлегаэго на реактивной массе, и кольцеавго якорл , установленного на часе с возможность» взаимодействия с кольт- pum илектромагнитом.

Для ударного параметрического управления частотой собство.ч-них ко.чеознйЯ цепь управления вибровозбудителем выполнена е -ли-дп датчика направления двияэяия чаша , тиристорного коммутатора с подключении;*»! к нему двуглл источниками постоянного года , причем датчик наприііль-тш движения чаші связан с уаравлякцкм входом тиристорного коммутатора через элемент задержи.

Электромагнитное ББЗУ 17) отличается тем, что кольцевал якорь шпелнея в виде постоянного магнита, что позволяет снизить непроизводяте.кыше яотври мощности за счзт получении постоянной составляющей жесткости (чаеч^ты собствок><цх колебаний) в результате взаимодействия магнитного потока кольцевого якоря с ^5aтepиз-лом сердочгапса кольцевого электромагнита.

ВЕЗУ с злеглэитом жесткости пьезоэлектрического тигг IBJ содержит ударний параметрически! РП.колотьуктпвне ":п...ііс-іікіЛ в вя-де попарно расположениях уздов регулируемой леткосте, взэ»-г. -'действующи с чазей носрядстьсч радіально расподожапяых крэшгтей-аоз. Каждый из )Л'.Е регулитуемсЯ четкое-:» вшюякэе з иіг.і двух

пьезоэлемактов, установленных s диэлектрическом корпусе, причем одногюллрные торцы пьезоглемвнтов поджаты упорными контактами к радиальному кронштейну.

Система управления пьезоэлектрическим ВП выполнена з виде последовательно включенных: датчика направления движения чаши, злпнонта задержки и регулируемого источника высокого напряжения. Регулируемый источник высокого напряжения связан управлявшим входом с выходом элемента задержки, а однополярными выходами - с горцами соответствующей полярности пьезоэлементов узлоЕ регулируемой жесткости. Приведены тяговые характеристики пьезоэлектрического ьлрмоитв регулируемой жесткости.

Газработана методика инженерного проектирования ытктромаг-нитннх ударных параметрических ВП для устройств вибрационного транспортирования и загрузки, обеспечивающая реализацию закона колебаний ГО ВП, близкого к идеальному закону транспортирования с ограниченным ускорением.