Введение к работе
Актуальность работы. Вибрационные щековые дробилки (ВЩД), конструкции ОАО «НІЖ «Механобр-Техника» являются перспективным видом оборудования для дробления рудных и нерудных, а также техногенных материалов. Основной вклад в создание и развитие этих машин в разные годы внесли Блехман И. И., Вайсберг Л. А., Лавров Б. П., Нагаев Р. Ф., Туркин В. Я. Фрадков А. Л. и другие ученые.
К достоинствам дробилки следует отнести динамическую уравновешенность конструкции и способность пропускать недроби-мые тела через рабочую камеру. Для получения номинальных показателей ВЩД необходимо, чтобы разрушение и транспортирование материала в рабочей камере происходило при синхронно-противофазном движении щек. Такой режим обеспечивается двух-двигательным приводом вибровозбудителей колебаний симметричных подсистем дробилки при наличии вибрационной связи между ними.
Влияние на процессы в системе технологической нагрузки, а также случайного разброса конструктивных и электромеханических параметров подсистем дробилки вызывает искажение синхронно-противофазного типа колебаний. В ряде случаев это приводит к нарушению условий эффективного разрушения и ухудшению технологических показателей ВЩД. Действие возмущающих факторов на технологический процесс возрастает при использовании ВЩД для измельчения неоднородных материалов различной крупности и твердости, например, при дроблении твердых сплавов, отходов металлургического производства, строительных отходов.
В связи с этим возникает задача обеспечения номинального режима дробления в сложных условиях функционирования ВЩД. Решение задачи требует проведения дополнительных исследований, направленных на выявление основных дестабилизирующих факторов, оценку их влияния на режим работы дробилки и разработку мер по компенсации возмущений с целью стабилизации синхронно-противофазного режима колебаний, при котором технологические показатели ВЩД соответствуют номинальным значениям. В работе
эта задача решается средствами автоматизированного электропривода.
Цель диссертационной работы: Снижение энергоемкости и повышение производительности дробления за счет восстановления номинального режима дробилки путем компенсации возмущений, обусловленных неидентичностью параметров симметричных подсистем ВЩД и влиянием на систему разрушаемого материала.
Задачи исследования:
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, опыта эксплуатации ВЩД с целью определения и оценки влияния основных дестабилизирующих факторов на режим и технологические характеристики дробилки.
Построение математической и компьютерной моделей электропривода вибрационной щековой дробилки с целью изучения статических и динамических режимов и формирования требований к системе автоматического регулирования.
Разработка стратегии управления режимом вибрационной щековой дробилки, обоснование и реализация алгоритма управления на основе автоматизированного электропривода.
Экспериментальная проверка работоспособности и эффективности предложенного алгоритма и всей системы в целом.
Идея работы: Для повышения технологических показателей дробилки следует использовать систему автоматической стабилизации синхронно-противофазных колебаний щек на основе автоматизированного электропривода вибровозбудителей с обратной связью по контролируемому углу сдвига фаз колебаний щек.
Научная новизна:
На основе компьютерного моделирования и экспериментальных исследований электромеханической системы двухдвига-тельного привода вибрационной щековой дробилки выявлены закономерности многомерного движения элементов дробилки, предопределяющие взаимосвязь между рассогласованием синхронно-противофазных колебаний щек, режимными параметрами электропривода и технологическими показателями дробления.
Установлена связь между параметрами рассогласованного режима вибрационной щековой дробилки и требуемым изменением
параметров механических характеристик двигателей, что позволило осуществить синтез системы автоматического управления приводом по критерию максимальной производительности дробилки. Основные положения, выносимые на защиту:
Начальный фазовый сдвиг колебаний щек, обусловленный неидентичностью конструктивных и электромеханических параметров подсистем вибрационной щековой дробилки, возрастает при переходе в режим дробления, вызывая неравномерную загрузку двигателей, снижение производительности и рост энергоемкости, не оказывая при этом существенного влияния на степень дробления и гранулометрический состав конечного продукта.
Построение модели вибрационной щековой дробилки как объекта управления должно базироваться на взаимосвязанных системах уравнений движения элементов дробилки и уравнений двух-двигательного асинхронного электропривода, что позволяет учесть влияние неидентичности параметров электромеханических подсистем дробилки и технологической нагрузки на режимные параметры двигателей и характер движения щек.
Для обеспечения максимальной производительности вибрационной щековой дробилки при минимизации энергозатрат следует применять автоматическую систему управления двухдвигательным электроприводом с отрицательной обратной связью по наблюдаемому углу сдвига фаз колебаний щек, основанную на выравнивании парциальных скоростей асинхронных двигателей путем изменения параметров их индивидуальных механических характеристик.
Методы исследований. При выполнении теоретических исследований использовались аналитические и численные методы электромеханики и автоматизированного электропривода, методы частотного и временного анализа сигналов и систем, структурное моделирование в среде Simulink MatLab 6.5. Экспериментальные исследования проводились на разработанном стенде, в котором использованы современные средства сбора и обработки данных National Instruments-Lab View 8.5.
Практическая ценность работы:
1. Разработана модель дробилки с автоматизированным элек-
троприводом, которая позволяет производить оценку влияния не-
симметрии ее подсистем и технологической нагрузки на режимные параметры ВЩД, что дает возможность рассматривать представленную модель как эффективное средство проектирования электропривода виброоборудования.
Разработанная система измерения режимных параметров ВЩД и привода совестно с комплексом программного обеспечения позволяет повысить эффективность испытаний опытных и серийных образцов виброоборудования за счет увеличения числа контролируемых координат системы.
Разработаны алгоритмы управления ВЩД по критерию максимальной производительности, работоспособность которых доказана данными компьютерного моделирования и результатами испытаний прототипа системы автоматического управления.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов аналитических расчетов и компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований ВЩД в режиме пуска, безударном режиме и режиме дробления. Подтверждением эффективности предложенного способа стабилизации и работоспособности алгоритмов управления являются результаты единичных испытаний образца ВЩД с разработанной системой управления, показавшие увеличение производительности по сравнению с базовым вариантом на 87%.
Внедрение. Модель ВЩД с управляемым приводом, система сбора и обработки данных, а также предложенная система автоматической стабилизации синхронно-противофазных колебаний вибрационной щековой дробилки приняты к использованию в ОАО «НІЖ «Механобр-техника». В 2009 г. в рамках конкурса на лучшие инновационные проекты в сфере науки и высшего образования Санкт-Петербурга работа отмечена дипломом за «Лучшую научно-инновационную идею».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Неделя науки» СПбГПУ Санкт-Петербург 2007 г., 2009 г.; Freiberger Forschungsforum «Innovations in Geoscience, Geoengineering and Metallurgy» (Freiberg, 2008);
международной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», СПГГИ Санкт-Петрбург 2006-2009 г.; 7-ой международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments», Москва 2008; научном симпозиуме "Неделя горняка 2010", МГГУ, Москва 2010 г.
Личный вклад автора заключается в разработке компьютерной модели ВЩД, разработке алгоритмов и синтезе системы управления, создании экспериментального стенда и прототипа системы управления.
Автор выражает признательность специалистам ОАО «НІЖ «Механобр-техника» за содействие в проведении исследований и испытаний.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 работы в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация содержит 148 страниц текста, 85 рисунков, 12 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 82 наименований.
