Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса 9
1.1. Вибрационные транспортирующие машины для сыпучих материалов 9
1.1.1. Анализ технологических процессов переработки сыпучих сред 9
1.1.2. Основные типы и область применения вибрационных транспортирующих машин в промышленности 11
1.1.3. Классификация и структурные схемы 15
1.2. Характеристика электромагнитных возбудителей колебаний 22
1.3. Электрические схемы и классификация электромагнитных возбудителей колебаний 27
1.4. Способы питания и управления электромагнитными возбудителями колебаний 31
1.5. Системы активного контроля и управления электромагнитными возбудителями колебаний 35
1.5.1. Классификация систем активного контроля и управления 35
1.5.2. Классы адаптивных автоматических систем 38
1.5.3. Обобщенные блок-схемы самонастраивающихся систем управления 39
1.5.4. Типы самонастраивающихся автоматических систем 42
Выводы по главе 47
ГЛАВА 2. Исследование динамики вибрационного транспортирующего устройства для нанесения покрытий на зернистый материал с электромагнитным приводом 49
2.1. Построение математической модели вибрационного устройства с электромагнитным возбудителем колебаний 49
2.2. Численное исследование динамики устройства для нанесения покрытий на зернистый материал 60
2.3. Представление активного управления электромагнитным виброприводом вибрационного устройства как задачи численной оптимизации 64
2.3.1. Определение факторов, влияющих на параметры вибрации 64
2.3.2. Численный эксперимент и оптимизация 76
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования 95
3.1. Исследование электромагнитного привода с регулятором мощности 101
3.2. Исследование поведения системы активного регулирования электромагнитными виброприводами 110
Выводы по главе 116
ГЛАВА 4. Практическая релизация работы 117
4.1. Вибрационный конвейер 117
4.2. Устройство для нанесения покрытий на зернистый материал 120
4.3. Устройство для вибрационной сушки сыпучих материалов 122
4.4. Распылитель с электромагнитным виброприводом с адаптивным управлением 125
4.5. Глубинный вибратор с симметричным электромагнитным приводом и активным регулятором мощности 128
4.6. Активный регулятор электромагным виброприводом 132
Выводы по главе 135
Заключение 137
Список литературы 143
Приложение 149
- Основные типы и область применения вибрационных транспортирующих машин в промышленности
- Численное исследование динамики устройства для нанесения покрытий на зернистый материал
- Исследование поведения системы активного регулирования электромагнитными виброприводами
- Глубинный вибратор с симметричным электромагнитным приводом и активным регулятором мощности
Введение к работе
В настоящее время вибрационные методы интенсификации технологических процессов получают все более широкое распространение. Это обусловлено тем, что при использовании вибрационного воздействия на обрабатываемые материалы повышается производительность оборудования и энергонапряженность технологического процесса, значительно снижаются эксплуатационные затраты. Наряду с интенсификацией технологических процессов при вибрационном воздействии на обрабатываемый материал улучшается качество конечной продукции: так при транспортировки и перемешивании сыпучих материалов достигается высокая степень однородности смесей.
Вибрационные машины широко используются для транспортирования насыпных грузов в различных отраслях промышленности. Получают развитие также транспортно - технологические машины, осуществляющие в процессе транспортирования и технологическую обработку перемещаемого груза: сушку, гранулирование, обеспыливание, классификацию, обезвоживание и т.п. К вибрационным транспортирующим машинам относятся вибрационные конвейеры, вибрационные питатели и питатели - грохоты, вибрационные подъемники и вибрационные бункеры - дозаторы.
Изучению вибрационного воздействия на сыпучие материалы посвящено значительное число работ. Из них особое значение имеют работы В.А. Членова, Н.В. Михайлова, Ю.М. Давыдова, И.Ф. Гончаревича, В.А. Баумана, И.И. Блех-мана, И.И. Быховского, Э.Э. Лавендела и др.
Вибрационное воздействие на обрабатываемые среды легко поддается регулированию путем изменения амплитуды и частоты вибрации, что дает возможность получать рациональные режимы технологических процессов.
Основные типы и область применения вибрационных транспортирующих машин в промышленности
Неравномерность загрузки сыпучего материала на исполнительное звено транспортирующего устройства приводит к изменению амплитуды колебаний исполнительного звена в пределах 45-50%. Одним из условий интенсификации смешивания при виброперемещении является применение вибрационных воздействий, способствующих разрушению пространственных коагуляционных структур, снижения предела упругости, значительному изменению вязкости обрабатываемого материала.
Вибрационная обработка дисперсного материала приводит его в колебательное движение. При этом значительно ослабляются силы взаимодействия между частицами: уменьшается трение, снижается влияние сил адгезионного сцепления [7,109]. В зависимости от параметров вибрации и природы материала вибрационная обработка может способствовать уплотненному размещению частиц, т.е. уменьшению пористости материала. Процесс перемешивания с наложением вибрации сопровождается дополнительными эффектами разрушения зерен, обнажением дополнительных поверхностей, разрушением коагуляционных структур, увеличением диспергирования твердых частиц и газа, т.е. активизацией смеси [11,23].
Таким образом, в настоящее время существую объективные рыночные предпосылки применения вибрационной техники в различных сферах малого бизнеса касающегося пищевой промышленности.
Основными достоинствами вибрационных транспортирующих машин, обеспечивающими их эффективное применение в промышленности, являются отсутствие измельчения перемещаемого груза в процессе транспортирования, ничтожный износ грузонесущего органа, простота конструкции, практически полное отсутствие трущихся и быстроизнашивающихся деталей, легкость обслуживания и ухода, невысокая энергоемкость, безопасность эксплуатации, возможность загрузки и разгрузки в любой точке грузонесущего органа, а также возрастание эффективности при транспортировании под уклон. Приведем основные факторы, определяющие целесообразность применения вибрационного конвейера того или иного типа. Простота осуществления автоматизации работы, т. е. регулирования режима транспортирования: скорости движения, интенсивности подбрасывания материала и т. д. в соответствии с процессами сушки или охлаждения.
Совмещение технологических процессов с одновременным перемещением груза. Направление и расстояние транспортирования. Вибрационные конвейеры применяют для транспортирования на небольшое расстояние - не более 200 м. Наиболее целесообразно вибрационные конвейеры большинства типов применять для транспортирования па расстояние до 50 м, гак как в этом случае могут быть использованы более простые в конструктивном отношении и более надежные в эксплуатации одноприводные транспортные установки.
Важным фактором является также направление транспортирования. Например, вибрационные конвейеры с винтовым желобом при перемещении грузов вертикально вверх на небольшую высоту - до 12 м на один привод в ряде случаев успешно конкурируют с элеваторами и другими установками для вертикального транспортирования. В то же время в тех случаях, когда необходимо изменить направление транспортирования, можно применять только вибрационные конвейеры, допускающие реверсирование (электромагнитные и уравновешенные с эксцентриковым приводом).
Физико-механические и химические свойства транспортирующих грузов. Вибрационный транспорт оказывается целесообразным при перемещении высокоабразивных, горячих, корродирующих и других агрессивных материалов, так как принцип его работы и конструктивное выполнение, с одной стороны, обусловливают низкую интенсивность износа рабочего органа, а, с другой — позволяют принимать в особых случаях специальные меры такие, как установка охлаждающих рубашек, применение устойчивых покрытий и пр. Перемещаемые вибрационными конвейерами насыпные грузы по гранулометрическому составу могут быть весьма различными: от мелкодисперсных - с размером зерна в пределах десятка микрон до весьма крупнокусковых - диаметром более 1 м, а также штучные.
Вследствие того, что вибрационные машины характеризуются сравнительно низкой скоростью транспортирования [29,104] - в типовых конструкциях не выше 0,6 м/с, их не используют при необходимости достижения большой производительности. Производительность длинных вибрационных конвейеров не более 100—200 т/ч, в то время как производительность вибрационных питателей до 3000 т/ч.
Численное исследование динамики устройства для нанесения покрытий на зернистый материал
Основными достоинствами электромагнитных вибровозбудителей являются [72,85]: 1) простота регулирования амплитуды вибрации и возможность ее регулирования при работе устройства, это позволяет включать электровибрационные устройства в системы с автоматическим управлением производительностью; 2) надежность и долговечность, что обусловлено отсутствием в вибровозбудителе пар трения; 3) возможность применения в одной вибромашине нескольких одновременно действующих вибровозбудителей без специальных мер по обеспечению синхронизации; это обусловлено синхронностью работы вибровозбудителей при питании от общей сети и позволяет рассредоточить силы, возбуждающие колебания, по протяженному в одном или двух направлениях упругому рабочему органу. Таким способом можно добиться, чтобы колебания рабочего органа мало отличались от его колебаний как твердого тела. С помощью двух вибровозбудителей и более можно также получить различные траектории вибрации, например винтовые. По некоторым показателям электромагнитные вибровозбудители уступают вибровозбудителям других типов: 1) сравнительно велика их масса, приходящаяся на единицу амплитуды создаваемой силы; 2) большой расход электротехнических материалов и пружинной стали; пружины или рессоры с большой жесткостью и массой необходимы вследствие того, что при допустимых размерах вибровозбудителя требуемую амплитуду перемещения обычно можно получить только в околорезонансном режиме; 3) значительные изменения амплитуды вибрации при изменении нагрузки (массы обрабатываемого или транспортируемого материала на рабочем органе); это также обусловлено резонансным режимом работы устройств с электромагнитными возбудителями; 4) малая амплитуда перемещения; ее величина ограничена допустимыми значениями воздушного зазора между якорем и сердечником электромагнита. Перечисленные достоинства и недостатки электромагнитных вибровозбу-дигелей определяют наиболее рациональные значения частот и амплитуд сил, а также области применения этих устройств в технике [63,66,25,59]. При малой амплитуде перемещения частота должна быть достаточно велика (иначе недопустимо низкими будут ускорение и интенсивность рабочего процесса). Но увеличение частоты при ограниченной вынуждающей силе приводит к уменьшению амплитуды перемещения. Кроме того, чтобы с помощью электромагнитного вибровозбудителя получить колебания с частотой, отличной от 50 или 100 Гц, при частоте сети 50 Гц, требуются специальные преобразователи частоты тока. По этим причинам частота большинства применяемых; в настоящее время электромагнитных вибровозбудителей составляет 50 Гц, реже - 100 Гц. Также известны устройства (с питанием от преобразователя) с частотой 25 Гц.
В некоторых вибрационных стендах частота может изменяться в диапазоне 10—100 Гц. Амплитуда силы, создаваемой наиболее крупными электромагнитными вибровозбудителями, составляет 5-Ю3 кгс.
Ввиду простоты регулирования амплитуды и производительности устройства с электромагнитными вибровозбудителями нашли наибольшее применение в качестве вибропитателей: в машиностроении для подачи деталей, например, в станки-автоматы; в пищевой промышленности для подачи сыпучих материалов в технологические аппараты [86,87] и т. п. Устройства с электромагнитными вибровозбудителями используют также для транспортирования отдельных предметов и сыпучих материалов (виброконвейеры и виброэлеваторы), для разделения сыпучих материалов по крупности (грохоты, вибросита) для уплотнения бетона (виброплощадки), в вибробункерах, при испытаниях па, усталость, в бытовой технике (например, некоторые типы электробритв) и т. д. Вибростенды с электромагнитными вибровозбудителями получили меньшее распространение по сравнению со стендами других типов.
В системе на рис. 1.14 со стороны сердечника на основание действует динамическая сила, равная силе, создаваемой электромагнитом. Еще большие силы при околорезонансном режиме действуют со стороны упругих опор. Поскольку это недопустимо, то сердечник и упругую систему скрепляют с дополнительным телом — так называемой реактивной массой, а все устройство устанавливают на податливых опорах (рис. 1.15).
В этом случае колебания совершают как рабочий орган с якорем, так и реактивная масса с сердечником. С рабочим органом может быть связан сердечник электромагнита, тогда якорь скрепляют с реактивной массой.
Устройство на рис. 1.15 называется двухмассным по числу колеблющихся масс или основных степеней свободы (не считая степеней свободы, обусловленных, например, упругостью рабочего органа). Используют и многомассные од-ноприводные устройства, например вибрационные грохоты с резонирующей решеткой. Амплитудно-частотная характеристика таких устройств содержит участок, где амплитуда мало меняется с изменением частоты возбуждения. При частоте, соответствующей этому участку, амплитуда будет мало меняться при изменении нагрузки, чем устраняется один из указанных выше недостатков резонансных электровибрационных машин.
Аналогично устроены многоприводные машины, например виброконвейеры (рис. 1.16). На рис. 1.16 обозначены: 1 — рабочий орган (труба или лоток); 2 — сердечники, 3 — якори электромагнитов, 4 — реактивные массы, 5 — упругие системы вибровозбудителей, 6 — податливые опоры (или подвески).
Исследование поведения системы активного регулирования электромагнитными виброприводами
В последние годы все большее значение приобретают адаптивные АСУ [4,76,81], характеризующиеся действием на объект управления каких-либо абсолютно неизвестных факторов. В результате возникает необходимость решения задачи управления в условиях неопределенности исходных данных для принятия решения об управляющих воздействиях. Эти системы могут приспосабливаться к изменениям внешней среды и самого объекта управления, а также улучшать свою работу по мере накопления опыта, т.е. информации о результатах управления.
В свою очередь адаптивные АСУ делятся на: оптимальные, которые обеспечивают автоматическое поддержание в объекте управления наивыгоднейшего режима; самонастраивающиеся, параметры объекта управления у которых не остаются неизменными, а преобразуются при изменении внешних условий; самоорганизующиеся, алгоритм работы у которых не остается неизменным, а совершенствуется при изменении параметров объекта управления и внешних условий; самообучающиеся, которые анализируют накопленный опыт управления объектом и на основании этого автоматически совершенствуют свою структуру и способ управления. По характеру действия АСУ подразделяют на непрерывные и дискретного действия. В непрерывных АСУ при плавном изменении входного сигнала также плавно изменяется и выходной сигнал. В дискретных АСУ при плавном изменении входного сигнала выходной сигнал изменяется скачкообразно. Методы управления, основанные на применении цифровой техники, всегда приводят к дискретным АСУ. По характеру изменения параметров сигналов АСУ можно разделить на линейные и нелинейные, стационарные и нестационарные. По количеству самих параметров АСУ являются одномерными или многомерными.
Необходимо отметить, что классификацию АСУ можно построить и на основе других критериев, например, можно классифицировать АСУ по физической сущности системы или ее основных звеньев, по мощности исполнительного устройства и т.д. Каждый из упомянутых способов классификации АСУ чаще всего является независимым от остальных. Это означает, что каждый из них можно представить как шкалу в многомерном фазовом пространстве, тогда конкретным АСУ в этом пространстве будут соответствовать точки или определенные области.
Синтез автоматических систем управления осуществляется обычно на основе известной расчетной модели объекта или технологического процесса, когда имеется полная информация о собственных статических и динамических свойствах объекта управления и воздействиях на объект внешней среды, причем модель адекватна реальному объекту во времени и по всем входным воздействиям. Под полнотой информации подразумевается также знание возможных изменений тех или иных динамических свойств объекта и воздействий, т.е. эти изменения контролируемы и могут быть измерены.
Если же они неконтролируемы, то при определенных допущениях и известных границах неконтролируемых изменений свойств объекта и воздействий на него в принципе можно обеспечить пониженную чувствительность к этим изменениям желаемых свойств системы управления. Как правило, эти изменения относятся к малым изменениям относительно расчетных свойств, задаваемых моделью типа «объект - внешняя среда».
В тех случаях, когда нельзя гарантировать малость неконтролируемых изменений свойств управляемого объекта, обычные системы уже не удовлетворяют требуемым показателям качества или вообще могут стать, неработоспособными. Тогда на основе дополнительной информации о состоянии системы, получаемой с помощью включенных в первоначальную структуру системы вычислителей, целенаправленно и автоматически корректируют ее динамические свойства. При этом задача управления считается решенной, если после коррекции система вновь удовлетворяет желаемым требованиям и инвариантна к неконтролируемым возмущениям.
Системы, в которых осуществляется оптимальное в каком-либо смысле управление объектом с неконтролируемыми изменениями его свойств, структуры связей, операторов и их параметров, для чего с помощью специальных вычислителей и устройств автоматически и целенаправленно корректируются свойства всей системы, так что спустя конечное время систем управления становится инвариантной к некоторым изменениям свойств объекта, называются адаптивными системами. Существует многообразие определений понятий «адаптивное управление», «адаптивная система», «система активного контроля», наибольшее число этих определений приведено в [48].
В настоящее время наиболее практическое приложение нашли самонастраивающиеся системы (СНС), теория которых хорошо разработана [32,41,43,74]. Самонастраивающиеся системы решают задачу в условиях параметрической неопределенности при известных и неизменяемых структуре связей объекта или технологического процесса и их операторов. В этом случае, как правило, известна лишь область возможных изменений параметров объекта и воздействий внешней среды. В целом же теория адаптивного управления динамическими объектами находится в стадии своего развития. Этому способствует широкое внедрение средств вычислительной техники для реализации алгоритмов адаптации, расширяется круг задач адаптивного управления, что, в свою очередь, стимулирует развитие теории адаптивных систем. Рассмотрим более подробно самонастраивающиеся системы.
Глубинный вибратор с симметричным электромагнитным приводом и активным регулятором мощности
В настоящее время актуальной становится задача получения сахара—песка с заданными свойствами, определяемыми медицинскими показателями. Одной из современных тенденций развития медицины является внедрение лекарственных добавок в рацион лечебного питания больных, а также для массового профилактического использования среди населения. Это может быть достигнуто с помощью нанесения различных биологически—активных добавок на поверхность кристаллов сахарного песка.
Приведенные вибрационные машины широко используют для транспортирования сыпучих материалов в различных отраслях промышленности. Перспективным направлением в этой области является создание вибрационных машин, совмещающих в процессе транспортирования две и более технологических операции: нанесение покрытий, сушку, обеспыливание, классификацию, гранулирование, обезвоживание и т. д. Наиболее широкое применение находят вибрационные транспортирующие машины, работающие в режиме прямолинейных гармонических колебаний. Основным фактором, влияющим на эффективность работы и качество технологического процесса, наряду с геометрическими параметрами транспортирующего устройства является тип привода.
Проведенный сравнительный анализ показывает, что в большинстве вибрационных транспортирующих машин в качестве привода используют электродвигатель с дебалансом или эксцентриком. Также применяют инерционные вибраторы с пневматическим и гидравлическим приводом. Особенностью этих приводов является то, что электродвигатель имеет достаточно длительные переходные режимы. Это затрудняет быстрое регулирование, поддержание заданного технологического параметра вибрации и автоматизацию работы.
Обзор научно - технической литературы показывает, что среди различных вибрационных транспортирующих устройств наибольший интерес представляют устройства с электромагнитным виброприводом, так как в них отсутствует электродвигатель, нет вращающихся частей и пар трения. Они обладают простотой и надежностью, а самое главное - низкой себестоимостью. Эти устройства требуют дальнейшего развития методики расчета и технологии изготовления. Особенностью данных приводов является сильная зависимость тягового усилия подвижной части электромагнита от технологической нагрузки и напряжения питания. Для устранения этого недостатка применяют различные системы регулирования.
Подвергнуты анализу системы активного контроля и управления электромагнитными возбудителями колебаний. Более подробно подвергнуты рассмотрению самонастраивающиеся системы управления: статически оптимальная следящая система, система автоматической стабилизации с эталонной нена-страиваемой моделью основного контура, система автоматической стабилизации с эталонной настраиваемой моделью объекта. Перспективным направлением является создание системы активного контроля и регулирования электромагнитным приводом, которая обеспечивала бы поддержание параметров вибрации в заданных пределах.
На основании вышеизложенного целью работы является: исследование динамики вибрационного устройства с электромагнитным виброприводом и системой активного регулирования, используемого для нанесения покрытий на зернистый материал при его транспортировании. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: Разработка математической модели электромагнитного вибропривода с системой активного регулирования. Разработка математической модели вибрационного устройства для нанесения покрытий на зернистый материал. Разработка алгоритма, позволяющего синтезировать закон управления электромагнитным виброприводом. Создание программного комплекса для реализации численного моделирования динамики вибрационного устройства для нанесения покрытий на зернистый материал с системой активного регулирования. Проведение экспериментальных исследований вибрационного устройства для нанесения покрытий на зернистый материал с электромагнитным виброприводом и системой активного регулирования. Разработка инженерной методики расчета электромагнитного вибропривода с системой активного регулирования. Вибрационное транспортирование находит широкое применение в процессах нанесения покрытий, сушки и дозирования зернистых материалов. В настоящее время разработана серия методов расчета технологических машин по транспортированию сыпучих материалов. Вместе с тем расчет вибрационных машин с адаптивным управлением, обеспечивающих наилучшее протекание технологического процесса, затруднен из-за отсутствия комплексных математических моделей, адекватно описывающих с одной стороны поведение перерабатываемой среды, а с другой - динамику вибромашины с электромагнитным приводом и адаптивным управлением. В общем случае вибрационное транспортирующее устройство для нанесения покрытий на зернистый материал с электромагнитным виброприводом и с активным регулированием является сложным динамическим агрегатом. Анализ такой техники возможен лишь на основе глубокого исследования динамических процессов, протекающих при движении исполнительного звена, с учетом его взаимодействия с приводом и с петлей обратной связи. Вибрационные машины, применяемые в технологических процессах переработки зернистых материалов, включают в себя следующие основные элементы: - вибропривод; - рабочий орган, совершающий колебаний по заданному закону; - обрабатываемая среда (зернистый материал); - устройство подачи материала; - система управления технологическим процессом; - источник управляемого напряжения для питания вибропривода. При математическом моделировании таких машин наибольшие трудности возникают при описании динамики системы и устройства адаптивного управления в условиях неопределенности данных о количестве материала, поступающего на транспортирующий лоток. В общем случае пространственное движение рабочего органа описывается шестью уравнениями. В то же время большое число вибромашин реализует плоскопараллельное движение. Ограничимся рассмотрением этого частного случая. Рассмотрим вибрационное транспортирующее устройство, расчетная схема которого представлена на рис.2.1. Анализируемая механическая система имеет 3 степени свободы. Составим уравнения Лагранжа II рода (2.1). Математическая модель электромагнитного вибропривода строится с учетом общепринятых допущений [85,71,45] и описывается уравнениями Лагранжа - Максвелла. В качестве обобщенных координат выберем ф - абсолютную координату, относительные перемещения х, у и ток і. За начало отсчетов осей координат выберем положение статического равновесия системы
