Содержание к диссертации
Введение
Анализ современного состояния автоматизации процесса уравновешивания агрегатов для получения и переработки тонкодисперсных материалов 12
1.1. Анализ существующих агрегатов, предназначенных для измельчения и гранулирования, как объектов управления с точки зрения автоматизации подавления вибрации 12
1.2. Анализ способов балансировки различных машин и механизмов и технических средств для устранения колебаний 21
1.3. Определение путей технического совершенствования помольных агрегатов с применением средств автоматизации 34
1.4. Постановка цели и задач исследований 39
1.5. Выводы 40
Исследования модульного уравновешивающего устройства и кривошипно-ползунного механизма с целью минимизации вибрации 41
2.1. Методы уравновешивания кривошипно-ползунного механизма, основного узла центробежного помольного агрегата являющегося источником вибраций 41
2.2. Определение сил инерции действующих на кривошипно-ползунный механизм 45
2.3. Разработка конструкции модульного уравновешивающего устройства центробежного помольного агрегата 55
2.3.1. Определение массы противовеса модульного уравновешивающего устройства при максимальном приведенном моменте сил тяжести подвижных звеньев з 2.3.2. Исследование влияния массы противовеса на возникающие напряжения и деформации в узлах и деталях модульного уравновешивающего устройства 63
2.4. Построение функциональной схемы подсистемы управления положением противовеса модульного уравновешивающего устройства 73
2.5. Выводы 79
Разработка экспериментального образца модульного уравновешивающего устройства и методики экспериментальных исследований 80
3.1. Основные положения методики экспериментальных исследований 80
3.2. Разработка опытно-экспериментального образца модульного уравновешивающего устройства, являющегося элементом системы автоматического снижения уровня вибрации 81
3.3. Методики экспериментальных исследований 90
3.4. Многофакторное планирование эксперимента и обработка результатов при изучении снижения уровня вибрации при различных режимах работы центробежного помольного агрегата 91
3.5. Выводы 98
Экспериментальные исследования модульного уравновешивающего устройства и процесса снижения уровня вибрации механической системы центробежного агрегата 99
4.1. Экспериментальные исследования модульного уравновешивающего устройства и моделирование его работы в среде Simulink 99
4.2. Определение влияния конструктивно-технологических параметров на величину вибросмещения основания направляющих центробежного измельчителя и его физической модели 102
4.3. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров на среднеквадратическое значение вибросмещения основания направляющих центробежного измельчителя с модульным уравновешивающим устройством 114
4.4. Исследование влияния снижения уровня вибрации механической системы центробежного измельчителя на качественные характеристики измельченного материала 118
4.5. Выводы 120
Разработка системы автоматического снижения уровня негативной вибрации центробежного помольного агрегата 122
5.1. Выбор структуры системы автоматического снижения уровня вибрации центробежного помольного агрегата и построение функциональной схемы системы 122
5.2. Разработка подпрограмм и алгоритма управления положением противовеса модульного уравновешивающего устройства 129
5.3. Моделирование системы автоматического снижения уровня вибрации центробежного помольного агрегата и ее подсистем в среде Simulink 137
5.4. Опытно-промышленные испытания и апробация модульного уравновешивающего устройства центробежного помольного агрегата 146
5.5. Выводы 147
Общие выводы 148
Список литературы 1
- Анализ способов балансировки различных машин и механизмов и технических средств для устранения колебаний
- Разработка конструкции модульного уравновешивающего устройства центробежного помольного агрегата
- Разработка опытно-экспериментального образца модульного уравновешивающего устройства, являющегося элементом системы автоматического снижения уровня вибрации
- Определение влияния конструктивно-технологических параметров на величину вибросмещения основания направляющих центробежного измельчителя и его физической модели
Анализ способов балансировки различных машин и механизмов и технических средств для устранения колебаний
Развитие строительной, стекольной и других отраслей промышленности, влечет за собой повышение скоростей вращения и мощности производства, что приводит к необходимости изучения влияния колебательных процессов на конструкции машин и механизмов [47, 48]. Вибрация негативным образом влияет на ресурс и надежность конструкции машин, механизмов, агрегатов, долговечность и характер износа деталей, качество выполнения технологического процесса и др. Возникающие при этом резонансные режимы могут служить причиной серьезных поломок и аварий, что приводит к простою оборудования и негативно сказывается на производительности и на прибыли предприятия [35, 36].
Повышенная вибрация может быть вызвана различными причинами: неуравновешенностью деталей и узлов, изменением положения центра масс, коэффициента загрузки, выбора другого режима помола материала и др. Демпфирование колебаний в машинах, агрегатах, станках с помощью упругих стоек эффективно лишь на определенных скоростях вращения, причем на других скоростях амплитуда колебаний может возрастать. При применении упругих опор машина остается неуравновешенной, поэтому динамические нагрузки в ней и нагрузки на механическую систему не устраняются. В области критических оборотов напряжения и реакции в опорах резко возрастают и могут вызвать их разрушение [47-48].
Большой вклад в изучение вопросов балансировки роторов и шпинделей, колебаний валов, в разработку новых устройств балансировки и теоретических зависимостей, описывающих поведение балансирующих устройств, внесли российские и зарубежные исследователи: В.Л. Бидерман; И.И. Блехман; Б.И. Горбунов; А.А. Гусаров; В.И. Сусанин; А.А. Куинджи; М.Е. Левит; В.П. Нестеренко; Ю.С. Рейбах; СП. Тимошенко; В.А. Щепетильников и др. [23-26, 32, 35-39, 46-51].
В процессе проектирования машин конструкторы стремятся уменьшить уровень возможной вибрации, стремясь выбирать правильную компоновку деталей и соблюдать осевую симметрию. Однако при изготовлении деталей и узлов неизбежно возникает асимметрия, приводящая к неуравновешенности вращающихся деталей. Для ее устранения применяют различные виды балансировки при изготовлении деталей и при монтаже. В машинах и механизмах всегда существует дисбаланс, зависящий напрямую от времени эксплуатации, и который невозможно устранить одной первоначальной балансировкой. Неуравновешенность - такое состояние механизма, при котором главный вектор или главный момент сил инерции не равны нулю [51, 54-55, 105, 108, 113], причем неуравновешенность может возрастать вследствие износа деталей и узлов. Различают:
Основной причиной изменения состояния уравновешенного механизма в процессе работы является неравномерная выработка и износ деталей, который обладает неравномерной плотностью, а также из-за структурных превращений в материале, приводящих к изменению размеров и формы деталей. Кроме того, изменение положения центра масс и различные режимы работы машины, могут ухудшить ее уравновешенное состояние. Часто операция остановки с целью проведения уравновешивания агрегата связана с экономическими потерями, а для некоторых машин и агрегатов просто недопустима согласно условиям выполнения технологического процесса. Поэтому для устранения описанных выше проблем целесообразно применять автоматические уравновешивающие устройства и системы для автоматического подавления вибрации [1-5, 10-14, 72-79, 81-83, 85] в составе машин и механизмов, которые отслеживают уровень вибрации во время работы машины и при превышении допустимого уровня автоматически снижают ее до минимального значения.
Таким образом, конструктивный и технологический дисбалансы предопределяют первоначальную неуравновешенность машины, которая, как правило, уравновешивается однократно перед началом эксплуатации и в дальнейшем ее влияние на динамику работы не учитывается. При последующей эксплуатации агрегатов уравновешенное состояние может быть существенно нарушено, что подтверждается практикой и многочисленными данными экспериментов [47-48]. Уравновешивание машин и механизмов в процессе эксплуатации можно осуществлять для увеличения долговечности и стабильности конструкции. Большое значение для увеличения стабильности конструкции машины имеет рациональный выбор основных узлов, тщательный подбор материалов элементов конструкции, типов подшипников и др. Поскольку установить соотношение между основными и второстепенными причинами, влияющими на динамику машины, иногда очень сложно, то необходимо разрабатывать такие методы и технические средства для уравновешивания, при которых причины происхождения неуравновешенного состояния не будут иметь значения. Так как зачастую уровень вибрации зависит от частоты вращения вала главного привода, которая может изменяться в процессе эксплуатации, то возможность уравновешивания без остановки машины приобретает первостепенное значение.
Разработка конструкции модульного уравновешивающего устройства центробежного помольного агрегата
Как известно под влиянием приложенных сил твердые тела в той или иной степени деформируются, т.е. меняют свою форму и объем. Положение каждой точки тела определяется радиус-вектором г с компонентами {х\ = х, х2= у, х3 = z). Если радиус-вектор г был у точки тела до деформирования, то после он будет г . Смещение точки тела при деформировании запишем через вектор деформации и = г -г. При деформировании тела меняются расстояния между его точками. Если рассмотреть две бесконечно близкие точки, то радиус-вектор между ними до деформирования был dxh то в деформированном теле он будет dx/ = dxt + dut. Расстояние между точками до деформации равно:
В случае малых деформаций в выражении (2.19) пренебрегаем последним членом как малой величиной второго порядка, получим: Рассмотрим бесконечно малый элемент объема dV и определим его величину dV после деформирования тела, причем в качестве осей координат выберем главные оси тензора деформации. Таким образом: При деформировании расположение молекул изменяется и тело выводится из состояния равновесия, в котором оно находилось первоначально. В результате в нем возникают силы (внутренние напряжения), стремящиеся вернуть тело в состояние равновесия. Выделим в теле малый элемент объема dV и рассмотрим действующую на него суммарную силу, которая может быть записана в виде интеграла по замкнутой поверхности, охватывающей этот объем: сила действующая на единицу объема тела (Н); о& - тензор напряжений. А сила действующая со стороны внутренних напряжений на всю поверхность тела равна - w 7jkdfk, интеграл берется по поверхности тела, а вектор /"направлен по нормали, внешней по отношению к охватываемому поверхностью объему. Момент силы F можно написать в виде антисимметричного тензора второго ранга с компонентами FtXk и FkXu xt - координаты точки приложения силы. Тогда на весь объем действует момент сил: где Р - внешняя сила, действующая на единицу поверхности площади; o ikdfk - сила действующая со стороны поверхности на тот же элемент поверхности. В модульном уравновешивающем устройстве при работе возникают напряжения и деформации. Так как оно состоит из трех полых валов, соединенных между собой с помощью фланцевого соединенния, рассмотрим деформации оболочек. При деформации оболочек растяжение представляет эффект первого рода и поэтому играет существенную роль даже при слабом изгибе. Энергия растяжения оболочки может быть вычислена как интеграл взятый по ее поверхности: где иар - двухмерный тензор деформации в соответствующих криволинейных координатах; тар - двухмерный тензор напряжений. Когда оболочка подвержена воздействию сосредоточенных сил в поперечном оболочке направлению, например, силы реакции, действующие на оболочку со стороны опор в точках закрепления, силы инерции от противовеса расположенного на направляющих, то сосредоточенные силы производят изгиб оболочки в небольшой области вокруг точек их приложения.
Полная энергия изгиба на площади с? (порядок величины области для приложенной в точке силы/) под действием сосредоточенной силы равна: Если действующие силы на оболочку велики, то в оболочке могут возникнуть выпучивания. На рис. 2.15 изображен меридиональный разрез выпуклой оболочки, находящейся под действием большой сосредоточенной силы, направленной по внутренней нормали поверхности. Глубина прогиба Я (рис. 2.15) равна:
Так как в процессе работы модульного уравновешивающего могут в узлах и деталях конструкции устройства возникают напряжения и деформации, которые в конечном итоге могут Рис. 2.15. Приложенная приводить к выходу из строя как отдельных сосредоточенная сила/к элементов оборудования, так и всего устройства, оболочке выберем в качестве объекта исследования модульное уравновешивающее устройство с противовесами различных масс. Для расчета напряжений и деформаций возникающих в данном устройстве, была построена 3D модель, определены связи и приложены внешние нагрузки, учитывающие вес конструкции и силы инерции, наложена тетраэдральная сетка и произведен расчет методом конечных элементов. Расчеты выполнены в системе автоматизированного проектирования. В качестве расчетного (САЕ) модуля был использован модуль предназначенный для решения задач механики твердых деформируемых тел. Входные данные: частота вращения вала со = 40 рад/с; масса противовеса тпм = 2 кг; плечо противовеса от поверхности вала 1Е = 100 мм, 60 мм и 30 мм (от оси вращения 1 = lE + R, где /)=76 мм - внешний диаметр полого вала); толщина стенок полого вала и водила - 2 мм; материал полого вала, водила и направляющих - СтЗ (ГОСТ 380-2005); материал противовеса - БрОЦС4-3 (ГОСТ 5017-74); длина вала - 1420 мм, длина водила - 130 мм.
После выполнения серии расчетов получаем следующие данные (рис. 2.16-2.19). Силы инерции при 1Е = 100 мм, 60 мм, 30 мм, тпм = 2 кг и со = 40 рад/с равны 442 Н, 314 Н и 218 Н соответственно. Силы инерции при lE = 100 мм, 60 мм, 30 мм, тпм = 6 кг и со = 40 рад/с равны 1324 Н, 941 Н и 653 Н соответственно.
Разработка опытно-экспериментального образца модульного уравновешивающего устройства, являющегося элементом системы автоматического снижения уровня вибрации
Тогда приведенное уравнение регрессии, описывающие процесс изменения размаха вибросмещения основания направляющей физической модели, можно представить в натуральных величинах: 7 = -3,72605 + 0,0135625- + 0,00417- + 0,001088-. (4.17) Полученное в результате преобразований уравнение регрессии (4.17) Y=f(n, ср, L) адекватно описывает исследуемый процесс в варьируемом диапазоне. Анализ знаков величин коэффициентов перед соответствующими членами в уравнении регрессии и самих величин коэффициентов (4.17) дает основание делать количественные и качественные оценки влияния каждого из исследуемых факторов х\, х2, и Хт, на формирование величины функции отклика - в данном случае на размах вибросмещения основания направляющей физической модели измельчителя Y (мм).
Наибольшее влияние на размах вибросмещения оказывает частота вращения эксцентрикового вала п (х\), затем плечо противовесов L (х2) и коэффициент загрузки р () помольных камер. Чем больше частота вращения эксцентрикового вала п, коэффициент загрузки р и плечо противовесов L тем больше размах вибросмещения.
Положительные знаки перед х\, х2 и Хт, свидетельствует об отрицательном влиянии на функцию отклика Y увеличение значений влияющих факторов. Примем х\ частоту вращения эксцентрикового вала -312 и 328 об/мин и построим для этих значений графики (рис. 4.9).
Далее исследуем влияние физических параметров на среднеквадратическое значение виброперемещения основания направляющей центробежного измельчителя без модульного уравновешивающего устройства. В качестве влияющих факторов выберем Х\ частота вращения эксцентрикового вала п (об/мин); х2 - плечо L, на котором расположен центр масс противовесов от оси вращения эксцентрикового вала (мм); Хт, - коэффициент загрузки #? помольных камер мелющими телами.
Табл. 4.3 содержит основные характеристики плана экспериментов, которыми задавались для установления тенденции изменения вибрационных параметров, необходимые для нахождения математического описания этого процесса в некоторой области факторного пространства, в окрестности точки с координатами (JC0I = 344 об/мин, х02 =175 мм, х0т, = 0,3 или 30%).
Матрица планирования и результаты полного трехфакторного эксперимента представлены в табл. 4.4. Все эксперименты проводились при неизменном весе регулируемых противовесов и эксцентриситете эксцентрикового вала е = 20 мм.
В результате обработки полученных экспериментальных данных, после проверки значимости коэффициентов и адекватности уравнений, было получено уравнение регрессии в кодированной форме:
При анализе знаков величин коэффициентов перед соответствующими членами в уравнении регрессии и самих величин коэффициентов (4.19) приходим к выводам аналогичным выводам полученным для физической модели центробежного помольного агрегата. Также можно отметить тот факт, что оказывающим существенное влияние на значение вибросмещения основания направляющей является: коэффициент загрузки р нижней помольный камеры. Это объясняется тем, что для верхней и средней камер основным способом измельчения является удар и они оказывают наименьшее влияние на размах вибросмещения. Для нижней камеры основным способом измельчения является истирание, она осуществляет движение по круговой траектории, и при максимальной загрузке измельчаемым материалом вызывает максимальные силы инерции, что приводит к увеличению вибросмещения. Примем Х\ частоту вращения эксцентрикового вала - 332 и 340 об/мин и построим для этих значений графики (рис. 4.10). Полученный результат показывает, что осуществляется влияние на уровень вибрации путем изменения положения противовесов. Для нахождения локального экстремума воспользуемся существующими методами оптимизации процессов, например, методом наискорейшего спуска. Важно отметить, что как влияющие факторы, так и функции отклика могут изменяться в определенных пределах в силу физических и конструктивных ограничений.
Оптимизация процесса это целенаправленный поиск значений влияющих факторов, при которых достигается экстремум критерия оптимальности, с учетом ограничений наложенных на влияющие факторы и функции отклика. Критерий оптимальности - величина, характеризующая уровень оптимизируемого процесса, в качестве критерия может выступать функция отклика, например, среднеквадратическое значение виброперемещения Y (мм) основания направляющей центробежного измельчителя.
Исследуем влияние физических параметров на среднеквадратическое значение виброперемещения Y (мм) основания направляющих центробежного помольного агрегата с модульным уравновешивающим устройством.
В качестве влияющих факторов выберем физические величины идентичные выбранным для центробежного помольного агрегата: х\ -частота вращения эксцентрикового вала п (об/мин); х2 - плечо L, на котором расположен центр масс противовеса модульного уравновешивающего устройства от дополнительного вала (мм); х3 - коэффициент загрузки ср помольных камер мелющими телами. Табл. 4.9 содержит основные характеристики плана экспериментов.
Определение влияния конструктивно-технологических параметров на величину вибросмещения основания направляющих центробежного измельчителя и его физической модели
На основании полученных значений минимального уровня вибрации Утіп и фактического уровня вибрации Уф, определяется величина рассогласования 8 = Уф - У п. Если 8 больше заданного допустимого значения 8доп, то подпрограмма модели объекта выставляет Ьт в качестве нового задания для алгоритма управления, который формирует управляющее воздействие, в результате чего происходит срабатывание электромагнитной муфты, что приводит к перемещению противовеса в направлении уменьшения вибрации. Затем происходит переход к первому шагу подпрограммы. Завершение работы подпрограммы происходит при останове измельчителя. При работе подпрограммы происходит непрерывное отслеживание режима работы.
Модульное уравновешивающее устройство является специфическим и для управления положением противовеса разработаем алгоритм управления, реализующий работу адаптивного трехпозиционного регулятора с адаптацией крайних позиций в сторону средней позиции. Причем у данного регулятора средняя позиция является фиксированной и настроенной под нагрузку, с которой работает объект управления, также фиксированность средней позиции связана со сложностью использования сигнала средней позиции, находящегося между значениями сигналов крайних позиций, в модульном уравновешивающем устройстве объекта управления, из-за сложности сопряжения регулятора, работающего на средней позиции с двумя электромагнитными муфтами, работающими поочередно, так как данные исполнительные механизмы удобнее всего использовать в режимах «включено»/«выключено» для реализации крайних позиций.
В случае выбега регулируемой величины (положение противовеса) за пределы заданной зоны нечувствительности Ау трехпозиционного регулятора включается в работу одна из крайних позиций регулятора и одновременно осуществляется изменение (адаптация) для недействующей крайней позиции в текущий момент в сторону сближения со средней позицией либо дискретным способом (скачком) на величину Ah, равную 5-15% от размаха сигналов крайних позиций, либо согласно некоторому закону, например, апериодическому. Для реализации значений крайних позиций генерируются управляющие воздействия в виде ШИМ-импульсов различной скважности и полярности подаваемые на исполнительные механизмы подсистемы управления положением противовеса системы автоматического снижения уровня вибрации центробежного помольного агрегата. Адаптация крайних позиций прекращается при достижении ими некоторого заданного порогового значения. При изменении нагрузки объекта управления (центробежный помольный агрегат) и превышении некоторого допустимого значения 8доп для уровня вибрации происходит перенастройка средней позиции под новую нагрузку объекта регулирования.
С помощью модели объекта управления выставляется новое задание для положения противовеса модульного уравновешивающего устройства -Lmin (мм), в соответствии с режимом работы объекта управления, и соответствующее новой нагрузке объекта, т.е. положение противовеса соответствующее наименьшему среднеквадратическому значению виброперемещения Fmin (мм), что представляет собой перенастройку средней позиции трехпозиционного регулятора в соответствии с новой нагрузкой объекта управления, и одновременно происходит возврат исходных значений управляющих воздействий крайних позиций.
При нахождении регулируемой величины (положение противовеса) в зоне нечувствительности регулятора генерирование управляющих ШИМ-импульсов не осуществляется, т.е. оба исполнительных механизма находятся в выключенном состоянии. Перед началом работы задаются: допустимое отклонение для уровня вибрации ддоп, зона нечувствительности Ау, порог, до которого осуществляется адаптация крайних позиций, шаг Ah, равный 5-15% от размаха сигналов крайних позиций или закон, например, апериодический, согласно которому осуществляется адаптация крайних позиций. Причем выбор диапазона изменения значений крайних позиций целесообразно делать подстраиваемым в зависимости от инерционности переходных процессов и действующих в системе помех и возмущений. При его выборе менее 5% от размаха сигналов крайних позиций эффект от адаптации может быть сравнимым с эффектом от действующих помех, а при выборе более 15% возможен проскок значении сигналов крайних позиций за значение, обуславливающее статическое равновесие в объекте управления.
Таким образом, адаптивный трехпозиционный регулятор с адаптацией крайних позиций реализован алгоритмически на программируемом контроллере.
На рис. 5.6 показана блок-схема алгоритма управления, реализующего работу адаптивного трехпозиционного регулятора с адаптацией крайних позиций в сторону фиксированной средней позиции.
На основе исследований была построена модель для управления положением противовеса в среде Simulink пакета MATLAB (рис. 5.7). Функция, осуществляющая работу согласно алгоритму управления реализующего работу адаптивного трехпозиционного регулятора, была написана на языке MATLAB в виде S-функции.
Моделирование проводилось с предложенным и реализованным адаптивным трехпозиционным регулятором с адаптацией крайних позиций в сторону фиксированной средней и с трехпозиционным регулятором с фиксированными позициями, причем оба регулятора имели одинаковую зону нечувствительности, среднюю позицию и входное воздействие. На рис. 5.8 приведены результаты моделирования с учетом инерционности измельчителя. Алгоритм управления (regulator на рис. 5.8) реализован в виде S-функции на языке MATLAB.
Полученные результаты изменения регулируемой величины (положения противовеса) канала управления положением противовеса при одинаковом входном воздействии, показали увеличение точности позиционирования противовеса и уменьшение количества включений электромагнитных муфт, вследствие устранения автоколебаний.
