Введение к работе
Актуальності» темы. Среди многих достижении" современной науки и техники находятся и .вибрационные технологии, которые отличает материало- н ресурсосбережение, возможность получения продукта с повышенным качеством.
В 1965 г. на одної, из первых научно-технических конференций, посвященных вибрационной технике, отмечалось, что для обеспечения прогресса в этой области необходимо развивать следующие направления научно-исследовательских работ:
изучение возможностей расширения известных и изыскание нопых областей эффективного применения вибрации;
исследование методов и систем автоматизации вибромашин, их самонастройки.
Излагаемые в дайной работе результаты выполненных теоретических и прикладных исследований полностью соответствуют указанным направленням.
Идея работы. Несмотря на преимущества вибрационных технолопій, область их применения существенно меньше области использования безвибрацнонных технологий. Причинами такого положения, по мнению соискателя, являются три фактора:
необходимость создания для ряда технолопій (процессы измельчения, перемешивания и тд.) внбровозбудителей, развивающих значительные ускорения (до 25 ... 50 g), что затрудняет решение задач их надежного функционирования;
трудности введения вибрационных воздействий на многих
технологических объектах, обусловленные конструктивными
особенностями объекта;
отсутствие эффективных систем управлення внбропрнводом, обеспечивающих его стабильную работу, особенно в резонансном режиме колебаний.
Перечисленные факторы приводят к необходимости создания
специализированных виброприводов, предназначенных для
технологического оборудования определенного назначения (сепараторов, смесителей и тд.). Несмотря на определенные преимущества специализированных виброприводов, ориентация только на их разработку является тормозом для расширения областей полезного использования вибрации в технологических процессах.
В начале 80-х годов автором диссертации предложена концепция массового в применениях, управляемого вибропрнвода технологического.
назначения, получившая впоследствии экспериментальное подтверждение и поддержку в виде десятков авторских свидетельств и патеїггов. Идея создания массового в применениях вибропривода содержит серию положительных факторов - широкое использование преимуществ вибрационных технологии; целесообразность применения современного дорогостоящего оборудования для его-изготовления; снижение стоимости привода; возможность быстрой модернизации уже действующего технологического оборудования; повышение эксплуатационной надежности вибропривода. Идея использования методов и средств управления, их дальнейшего развития применительно к виброприводу также содержит серию положительных факторов - возможность формирования практически любых, требуемых по условиям технологии, режимов работы вибропривода при наличии широкого класса возмущающих воздействий; возможность использования вибропривода в качестве источника информации о состоянии обрабатываемой в технологическом объекте среды; возможность экономия материальных и энергетических ресурсов.
В работе показано, что для практической реализации концепции массового в применениях внбропривода требуются нетрадиционные подходы, связанные с поиском новых областей применения различных возбудителей колебаний. Предложены три новых направления, обеспечивающие расширение областей эффективного применения вибрации в современных технологиях:
создание комбинированных (неколебательно-колебательных) приводов технологических машин [33,34,35,36,38];
получение с помощью вибропривода оптимальных траекторий частиц обрабатываемой среды [37, 39,40,44,45);
применение вибропривода для автоматического контроля параметров обрабатываемой среды [66,67,68,70, "71}-
Показано, что перечисленные способы расширения областей использования вибрации могут быть практически реализованы только путей применения электромагнитного вибропривода. При этом основное значение имеет первый из трех предложенных способов. '
Цель работы. Целью диссертационной работы является научное обоснование предложенных технических решений, внедрение которых обеспечит создание массового в применениях вибропривода технологического назначения.
Задачи исследования. Задачами исследования являются построение математических моделей электромагнитных вибровозбудитслей, являющихся основой массового в применениях вибропривода технологического назначения; проведение анализа и идентификации факторов, влияющих на структуру системы управления электромагнитным
внбропрнводом; создание теоретических и прикладных основ синтеза систем управления виброприводом; разработка методологических принципов и выявление возможности использования управляемого электромапштиого вибропривода в качестве источника информации о состоянии обрабатываемой среды; обоснование тсхнолопіческой эффективности управляемого электромапштиого вибропривода в условиях его промышленной эксплуатации.
Методы исследования. Для решения научных задач в диссертации использовались теоретические подходы, принятые в теории колебаний, теории управления, методы физического и математического моделирования.
Для обработки экспериментальной информации применялись статистические методы. На протяжении всех этапов исследования использовались физические представления о процессах, происходящих в управляемом электромагнитном виброприводе. В расчетном плане рассматривались как феноменолопіческпе, так и идеализированные модели устройств и происходящих в них процессов. Основные-расчетные модели и результаты ориентированы на применение их в инженерной практике.
Научные положения, выдвигаемые на защиту. На защиту выдвигаются следующие научные положения:
1. Математические модели электромагнитного внбровозбудителя -
"точная" и три приближенные, полученные путем редукции "точной"
модели.
2. Следствия и соотношения, вытекающие из математических моделей
вибровозбудителя.
-
Аналитические зависимости, относящиеся к способам питания электромагнитных внбровоэбудителей.
-
Расчетные соотношения, раскрывающие энергетику, процессов в электромагнитном вибровозбудителе.
-
Методика математического описаній систем управляемого электромапштиого вибропривода.
-
Методы оптимизации подсистемы стабилизации параметров движения управляемого вибропривода.
-
Методы оптимизации подсистемы поддержания резонансного режима колебаний Бнбропривода.
-
Аналитические соотношения, связанные с синтезом систем принудительного согласования движений нескольких электромагнитных внбровоэбудителей.
9. Методика расчета линеаризованного датчика внброперемещеннй.
10. Научно обработанные результаты экспериментальных
исследований.
Достоверность научных результатоп и выводов. Достоверность научных результатов и выводов обосновывается совпадением результатов' исследований, полученных аналитическими и экспериментальными мешдамн (расхождение не превышает 3 ... 10%); большей общностью полученных соотношений (т.е. тем, что известные соотношения являются частным случаем полученных); непротиворечивостью результатов, полученных различными аналитическими методами.
Научная новизна. Наиболее существенными научными результатами, полученными лично соискателем, являются следующие:
-
Построена "точная" математическая модель электромагнитных вибровозбудителей в виде нелинейно-параметрических дифференциальных уравнений, записанных в форме Лагранжа-Максвелла.
-
Путем редукции исходных уравнений получены три приближенных математических модели, позволяющие выявить все особенности электромагнитных вибровозбудителей как с физической точки зрения, так и с позиции управления.
3. С физической точки зрения аналитическим путем установлены
фунда ментальные особенности электромагнитных шібровозбудіпгелей:
наличие у них внутренней отрицательной обратной связи, Тіаличис
электрического демпфирования колебаний (кроме ыеханнчгсхого
демпфирования) и электрической упругости, невозможность появлення
параметрических резонапсоа при использовании современных
конструкционных материалов, возможность появления при определенных
условиях неизохронных колебаний II тд.
4. С позиций управления получена совокупность важнейших
аналитических зависимостей - амплитуды колебаний от различных
факторов; частоты собственных затухающих колебаний от величины тока
подмагничиванияитд.
5. Обоснована целесообразность построения двух идеализированных
моделей электромагнитного вибровозбудителя, удобных при синтезе систем
управления; модели получены в виде передаточных функций по всем
представляющим интерес каналам передачи воздействий.
-
Аналитическими методами теории управления исследовано влияние различных факторов на структуру .системы управлення вибропрішодом; установлено, что преобразование вибрации может -привести к появлению нелинейных эффектов; выявлено, что по энергетическим соображениям, оптимальным является резонансный режим колебаний и тд. ' ,
-
Синтезирована базовая структура управляемого электромагнитного вибропрішода; обоснована возможность и целесообразность применения теоремы Котельникова для ее исследования; с использованием указанной теоремы получены основные расчетные соотношения.
-
Проведена оптимизация основных подсистем базовой структуры; для примененных методов оптимизации получены аналитические соотношения, удобные в шгженерной практике.
-
Исследован комплекс вопросов, связанных с синтезом систем прннудіггельного согласования движений нескольких электромагнитных внбровозбудителей.
-
Разработаны теоретические и прикладные аспекты информационного обеспечения систем управляемого вибропривода.
-
Обоснована возможность применения управляемого злектромапіитного вибропривода в качестве средства автоматического контроля параметров обрабатываемой среды; получены экспериментальные зависимости, связывающие насыпную плотность, внбровязкость и коэффициент уплотнения сыпучих сред с характеристиками (частотой, мощностью) вибропрнвода в условиях управляемого резонансного режима.
-
Доказана технологическая эффективность управляемого вибропрнвода путем его использования в процессах измельчения, разделения по крупности, перемешивания различных сред, активации и т.д.
Практическое значение работы. Практическое значение работы определяется двумя факторами:
1. Предложены новые способы эффективного использования
электромагнитного вибропрнвода технологического назначения,
являющиеся основой построения массового в применениях вибропрнвода.
2. Получены аналитические соотношения, позволяющие
разрабатывать различные методики расчета и проектирований как
собственно злекіромагншньїх внбровозбудителей, гак и систем управления
вибропрнводом.
Использование рмхльтятрв_ваботЫ- Результаты работы использованы на предприятиях, связанных с выпуском огнеупорных изделий (г.Семилуки Воронежской обл.), керамических изделий (г.Воронеж), железобетонных изделий (гг.Воронеж, Псков).
Особо следует отметить использование результатов работы для создания перспективных технологий в огнеупорной промышленности (Всероссийский институт огнеупоров, г.Санкт-Петербург), в химической промышленности (филиал ВНИИСКа, г.Воронеж). ч
Результаты работы используются также в высших учебных. заведениях, связанных с подготовкой специалистов по управлению в технических системах (г.Воронеж, г.Санкт-Петербург).
Апробация работы. Основные положения диссертации на протяжении II лет докладывались на постоянно действующем семинаре по вибрационной технике' при Московском доме научно-технической пропаганды (руков. семинара доктор техн. наук Ю.И.Иориш и канд. техн.
наук И.И.Быховскнй); на конференции "Теория и практика формования
железобетонных изделий и конструкций",, г.Москва, 1985;- Всесоюзной
конференции по вибрационной технике, г.Кобулеттн, 1987; научно-
технической конференции "Вибрационные машины и технологии", г.Курск,
1995; 1-й международной конференции по электромеханике и
электротехнологнн, г.Суздаль, 1994; международной конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов и изделий", г.Белгород, 1993; Всесоюзной научно-технической конференции "Реконструкция и техническое перевооружение огнеупорных предприятий", г.Москва, 1988; Всероссийской конференции с международным участием "Повышение эффективности землеройных машин", г.Воронеж, 1994, а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛСАв 1981-1997 гг.
Вклад автора в диссертации: формирование концепции управляемого, массового в применениях внбропривода технологического назначения; синтез новых способов эффективного использования электромагнитного внбропривода; научная постановка задач . теоретических и экспериментальных исследований; создание и исследование математических моделей электромагнитных вибровообуднтелен; исследование влияния, различных факторов на структуру системы управления внброприводом; синтез систем управления электромагнитным внброприводом; анализ и обобщение результатов исследований; участие в экспериментальных исследовашіях пилотных образцов управляемых электромагнитных внбропрнводов.
Щбшшшиш Основные научные положения, результаты прикладных исследований опубликованы в 72 работах, из них 32 составляют обзоры, статьи, учебное пособие, и 40 - изобретения и патсігш.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 407 страниц, в том числе 108 рисунков. В диссертации б глав, список ' литературы из 271 наименования, приложения.
